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Modèles biocinétiques de boues activées de type ASM : Analyse théorique et fonctionnelle, vers un jeu de paramètres par défaut Soutenance de Thèse 02 11.

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1 Modèles biocinétiques de boues activées de type ASM : Analyse théorique et fonctionnelle, vers un jeu de paramètres par défaut Soutenance de Thèse Hélène Hauduc Direction de thèse : Sylvie Gillot et Peter Vanrolleghem Supervision : Alain Héduit et Leiv Rieger

2 2 Novembre 2010 Hélène Hauduc – Soutenance de thèse2/25 Contexte : Objectifs de la modélisation ASM1 (Henze et al., 1987 & 2000) ASM2d (Henze et al., 1999 & 2000) ASM3 (Gujer et al., 1999 & 2000) ASM3+BioP (Rieger et al., 2001) Conception Optimisation Prévision Apprentissage $ Barker & Dold (Barker and Dold, 1997) UCTPHO+ (Hu et al., 2007) ASM2d+TUD (Meijer, 2004) ? Modèle hydraulique Modèle de fractionnement Modèle biocinétique Modèle daération Modèle de décantation

3 2 Novembre 2010 Hélène Hauduc – Soutenance de thèse3/25 Contexte: Etude de lutilisation des modèles Questionnaire envoyé aux utilisateurs de modèles : chercheurs et universitaires organisations gouvernementales entreprises privées, consultants 96 réponses Un obstacle majeur à lutilisation des modèles : Complexité Modèles Calage Good Modelling Practice Task Group Guidelines for use of activated sludge models

4 2 Novembre 2010 Hélène Hauduc – Soutenance de thèse4/25 Choix du modèle Calage du modèle Quelles sont les limites de chaque modèle ? Quel modèle utiliser pour quel objectif ? Quel modèle utiliser dans quelles conditions ? Quelles valeurs de paramètres par défaut choisir ? Quels paramètres modifier ? Dans quelles fourchettes de valeurs ? Problématiques

5 2 Novembre 2010 Hélène Hauduc – Soutenance de thèse5/25 Choix du modèle Calage du modèle Quelles sont les limites de chaque modèle ? Quel modèle utiliser pour quel objectif ? Quel modèle utiliser dans quelles conditions ? Quelles valeurs de paramètres par défaut choisir ? Quels paramètres modifier ? Dans quelles fourchettes de valeurs ? Problématiques Choix du modèleCalage du modèle

6 2 Novembre 2010 Hélène Hauduc – Soutenance de thèse6/25 Station dépuration de type « A²/O » traitement biologique du carbone, azote, phosphore Objectif : Optimiser la déphosphatation biologique Choix du modèle : Exemple Choix du modèleCalage du modèle

7 2 Novembre 2010 Hélène Hauduc – Soutenance de thèse7/25 Choix du modèle : Exemple Choix du modèleCalage du modèle ModèlesCarboneAzotePhosphore ASM XX Barker & Dold 1997 XXX ASM2d 1999 XXX ASM XX ASM3 + BioP 2001 XXX ASM2d + TUD 2004 XXX UCTPHO XXX Modèles ASM Barker & Dold 1997 ASM2d 1999 ASM ASM3 + BioP 2001 ASM2d + TUD 2004 UCTPHO+ 2007

8 2 Novembre 2010 Hélène Hauduc – Soutenance de thèse8/25 Choix du modèle : Comparaison des concepts Exemple de la fermentation Concepts 1 2 Hydrolyse Fermentation Croissance des OHO Croissance des ANO Mortalité des OHO/ANO Stockage des PolyP Croissance des PAO Stockage des PHA Mortalité des PAO Lyse du stockage des PAO Concept 1 : Transformation Concept 2 : Croissance des hétérotrophes (OHO) S VFA S NHx S PO4 ASM2d SFSF UCTPHO+ S VFA S NHx S PO4 SFSF X OHO Barker & Dold S H2 Particulaire Soluble Biomasse X S X Anaérobiose Choix du modèleCalage du modèle Condition daccepteur délectrons Réactants / Produits Modèles Notation standardisée (Corominas et al., 2010)

9 2 Novembre 2010 Hélène Hauduc – Soutenance de thèse9/25 ASM2d ASM3 + BioP X PAO,PHA X PAO,PP S PO4 S N2 S O2 S NOx S NHx S PO4 S O2 S NOx X PAO,PHA S N2 X PAO Stockage des PolyP Croissance des PAO UCTPHO+ X PAO,PHA S PO4 X PAO,PP X PAO,PP,Lo S O2 S NOx S NHx S N2 X PAO X PAO,PP Barker & Dold X PAO,PP,Lo X PAO,PP,Hi S NOx Croissance des PAO et Stockage des PolyP Croissance des PAO Stockage des PolyP Choix du modèle : Exemple Aérobiose Anoxie Choix du modèleCalage du modèle ASM2d + TUD X PAO,Gly Stockage du glycogène

10 2 Novembre 2010 Hélène Hauduc – Soutenance de thèse10/25 Limites des modèles Nitrification en 1 étape Dénitrification en 1 étape Pas de compétition avec GAO … Choix du modèle : Limites des modèles NO 2 non modélisé Choix du modèleCalage du modèle Hydrolyse Fermentation Croissance des OHO Croissance des ANO Mortalité des OHO/ANO Stockage des PolyP Croissance des PAO Stockage des PHA Mortalité des PAO Lyse du stockage des PAO Processus inclus dans les modèles

11 2 Novembre 2010 Hélène Hauduc – Soutenance de thèse11/25 Choix du modèle : Vérification du modèle ModèleStœchiométrieCinétique ASM1 (Henze et al., 2000) 12 ASM2d (Henze et al., 2000) 34 ASM3 (Gujer et al., 2000) 00 ASM3+BioP (Rieger et al., 2001) 26 Barker & Dold (Barker and Dold, 1997) 1612 UCTPHO+ (Hu et al., 2007) 5020 ASM2d+TUD (Meijer, 2004) 17 Vérification des modèles étudiés : nombre derreurs/oublis/manques trouvés dans la stoechiométrie et la cinétique Choix du modèleCalage du modèle

12 2 Novembre 2010 Hélène Hauduc – Soutenance de thèse12/25 Choix des modèles : Conclusions Notation standardisée pour les 7 modèles étudiés Limites théoriques des modèles Compréhension des modèles Modèles corrigés Analyse des concepts de modélisation Bibliographie sur connaissances théoriques Nouvelle représentation graphique Procédure de vérification des modèles Nouvelles règles de notation (Corominas et al., 2010) Comparaison modèles / connaissances théoriques Choix du modèleCalage du modèle

13 2 Novembre 2010 Hélène Hauduc – Soutenance de thèse13/25 Choix du modèle Calage du modèle Quelles sont les limites de chaque modèle ? Quel modèle utiliser pour quel objectif ? Quel modèle utiliser dans quelles conditions ? Quelles valeurs de paramètres par défaut choisir ? Quels paramètres modifier ? Dans quelles fourchettes de valeurs ? Problématiques Choix du modèleCalage du modèle

14 2 Novembre 2010 Hélène Hauduc – Soutenance de thèse14/25 Calage des modèles : Définitions Etape de calage Ajustement itératif des paramètres du modèle afin que les résultats de simulation concordent avec les données observées Jeu de paramètres par défaut point de départ au calage première approximation (ex : conception) Validé sur plusieurs jeux de données Choix du modèleCalage du modèle

15 2 Novembre 2010 Hélène Hauduc – Soutenance de thèse15/25 Calage des modèles : Objectifs procédure de calage automatisé sur plusieurs jeux de données Critères de qualité des modèles Calage automatisé des paramètres Calage multi-jeux de données Choix du modèleCalage du modèle

16 2 Novembre 2010 Hélène Hauduc – Soutenance de thèse16/25 Base de données de projets de modélisation (Bibliographie + 2 nd questionnaire) 76 jeux de paramètres résultats : Paramètres modifiés Fourchettes de valeurs Calage des modèles : Connaissances issues de la pratique Choix du modèleCalage du modèle

17 2 Novembre 2010 Hélène Hauduc – Soutenance de thèse17/25 Exemple : taux de mortalité des autotrophes pour lASM1 1 jeu de paramètre original 30 jeux de paramètres b ANO j -1 Calage des modèles : Connaissances issues de la pratique Choix du modèleCalage du modèle

18 2 Novembre 2010 Hélène Hauduc – Soutenance de thèse18/25 Calage des modèles : Critères de qualité Modèle dynamique Comment caractériser la concordance du modèle et des données observées ? Choix du modèleCalage du modèle

19 2 Novembre 2010 Hélène Hauduc – Soutenance de thèse19/25 Calage des modèles : Critères de qualité Choix du modèleCalage du modèle Critères simples sur les erreurs

20 2 Novembre 2010 Hélène Hauduc – Soutenance de thèse20/25 Calage des modèles : Critères de qualité Choix du modèleCalage du modèle Problème multi-critères moyenne chronologie des évènements pic

21 2 Novembre 2010 Hélène Hauduc – Soutenance de thèse21/25 Calage des modèles : Procédure de calage automatisé Echantillonnage Monte Carlo K jeux de paramètres WEST K Simulations Tornado Jeu de paramètres calés Calcul de K.C critères de qualité Fourchettes de valeurs C Critères de Qualité Observations Configuration Données daffluent R BlueM.Opt / Access Excel / VBA LogicielsPrincipales étapesDonnées dentrée Choix du modèleCalage du modèle Calcul K critères de qualité globaux K=9

22 2 Novembre 2010 Hélène Hauduc – Soutenance de thèse22/25 Observations Configuration Données daffluent Observations Configuration Données daffluent N Calage des modèles : Vers un jeu de paramètres par défaut Echantillonnage Monte Carlo K jeux de paramètres K Simulations Jeu de paramètres par défaut Calcul de K.C critères de qualité Fourchettes de valeurs C Critères de Qualité Choix du modèleCalage du modèle Calcul K critères de qualité globaux Observations Configuration Données daffluent.N

23 2 Novembre 2010 Hélène Hauduc – Soutenance de thèse23/25 Calage des modèles : Conclusions Jeu de paramètres par défaut Critère de qualité Paramètres à caler et fourchettes de valeurs Etude des critères sur un cas pratique Bibliographie des critères de qualité Critères de qualité Adaptation de la procédure Jeux de données validés Procédure de calage automatisé Exemples dapplication Fourchettes de valeurs Choix du modèleCalage du modèle

24 2 Novembre 2010 Hélène Hauduc – Soutenance de thèse24/25 Modèles biocinétiques de boues activées de type ASM : Analyse théorique et fonctionnelle, vers un jeu de paramètres par défaut Analyse des connaissances théoriques Contribution à la notation standardisée Méthodologie pour la vérification des modèles Représentation graphique des modèles Compréhension des modèles et limites théoriques Analyse des connaissances pratiques Base de données des applications Paramètres modifiés et fourchettes de valeurs Développement dune méthodologie dobtention de jeux de paramètres par défaut Procédure de calage automatisé Critère de qualité des modèles Choix du modèle Calage du modèle

25 2 Novembre 2010 Hélène Hauduc – Soutenance de thèse25/25 Conclusions et perspectives Procédure de calage automatisé Critères de qualité Procédure de calage multi- jeux de données Jeu de paramètres par défaut Critères de qualité Procédure de calage automatisé Vers un jeu de paramètres par défaut Analyse des connaissances théoriques Exemples dapplication : transfert de connaissances Fourchettes de valeurs Notation standardisée Comparaison des modèles Vérification des modèles Notation standardisée Limites théoriques des modèles Compréhension des modèles Modèles corrigés Conclusions Choix du modèle Calage du modèle

26 2 Novembre 2010 Hélène Hauduc – Soutenance de thèse26/25 Remerciements Good Modelling Practice Task Group Guidelines for use of activated sludge models


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