Modèles biocinétiques de boues activées de type ASM : Analyse théorique et fonctionnelle, vers un jeu de paramètres p

1. Modèles biocinétiques de boues activées de type ASM : Analyse théorique et fonctionnelle, vers un jeu de paramètres par défaut Hélène Hauduc Direction de thèse : Sylvie Gillot et Peter Vanrolleghem Supervision : Alain Héduit et Leiv Rieger Soutenance de Thèse 02 11 2010

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

3. Contexte: Etude de l’utilisation des modèles • Questionnaire envoyé aux utilisateurs de modèles : • chercheurs et universitaires • organisations gouvernementales • entreprises privées, consultants • 96 réponses • Un obstacle majeur à l’utilisation des modèles : • Complexité • Modèles • Calage Good Modelling Practice Task Group Guidelines for use of activated sludge models Hélène Hauduc – Soutenance de thèse

4. Problématiques • Quelles sont les limites de chaque modèle ? • Quel modèle utiliser pour quel objectif ? • Quel modèle utiliser dans quelles conditions ? Choix du modèle • Quelles valeurs de paramètres par défaut choisir ? • Quels paramètres modifier ? • Dans quelles fourchettes de valeurs ? Calage du modèle Hélène Hauduc – Soutenance de thèse

5. Problématiques 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 ? Choix du modèle • Quelles valeurs de paramètres par défaut choisir ? • Quels paramètres modifier ? • Dans quelles fourchettes de valeurs ? Calage du modèle Hélène Hauduc – Soutenance de thèse

6. Choix du modèle :Exemple Choix du modèle Calage du modèle • Station d’épuration de type « A²/O » • traitement biologique du carbone, azote, phosphore • Objectif :Optimiser la déphosphatation biologique Hélène Hauduc – Soutenance de thèse

7. Choix du modèle :Exemple Choix du modèle Calage du modèle Hélène Hauduc – Soutenance de thèse

8. Fermentation Croissance des OHO Hydrolyse Croissance des ANO Mortalité des OHO/ANO Stockage des PHA Stockage des PolyP Croissance des PAO Mortalité des PAO Lyse du stockage des PAO Choix du modèle :Comparaison des concepts Choix du modèle Calage du modèle Anaérobiose Exemple de la fermentation 1 2 Concepts Concept 1 : Transformation SVFA Notation standardisée (Corominas et al., 2010) Modèles ASM2d SNHx SF UCTPHO+ SPO4 Condition d’accepteur d’électrons Réactants / Produits Concept 2 : Croissance des hétérotrophes (OHO) SPO4 SVFA SF SH2 Barker & Dold SNHx XOHO S X Soluble Biomasse Particulaire X Hélène Hauduc – Soutenance de thèse

9. Choix du modèle :Exemple Choix du modèle Calage du modèle ASM2d + TUD UCTPHO+ Barker & Dold ASM2d ASM3 + BioP XPAO,PHA XPAO,PHA XPAO,PP,Lo XPAO,PP SPO4 Stockage des PolyP Stockage des PolyP XPAO,PP,Hi SPO4 SN2 SO2 SNOx XPAO,PP XPAO,PP,Lo XPAO,PP Croissance des PAO et Stockage des PolyP XPAO,PHA Stockage du glycogène XPAO SNHx XPAO,Gly SPO4 Croissance des PAO SNOx SN2 SNHx Croissance des PAO SN2 SO2 SNOx XPAO SO2 SNOx Aérobiose Anoxie Hélène Hauduc – Soutenance de thèse

10. Fermentation Croissance des OHO Hydrolyse Croissance des ANO Mortalité des OHO/ANO Stockage des PHA Stockage des PolyP Croissance des PAO Mortalité des PAO Lyse du stockage des PAO Choix du modèle :Limites des modèles Choix du modèle Calage du modèle Processus inclus dans les modèles Limites des modèles Dénitrification en 1 étape NO2 non modélisé Nitrification en 1 étape Pas de compétition avec GAO … Hélène Hauduc – Soutenance de thèse

11. Choix du modèle :Vérification du modèle Choix du modèle Calage du modèle Vérification des modèles étudiés : nombre d’erreurs/oublis/manques trouvés dans la stoechiométrie et la cinétique Hélène Hauduc – Soutenance de thèse

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

13. Problématiques 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 ? Choix du modèle • Quelles valeurs de paramètres par défaut choisir ? • Quels paramètres modifier ? • Dans quelles fourchettes de valeurs ? Calage du modèle Hélène Hauduc – Soutenance de thèse

14. Calage des modèles :Définitions Choix du modèle Calage du modèle • 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 Hélène Hauduc – Soutenance de thèse

15. Calage des modèles :Objectifs Choix du modèle Calage du modèle • procédure de calage automatisé sur plusieurs jeux de données Calage automatisé des paramètres Critères de qualité des modèles Calage multi-jeux de données Hélène Hauduc – Soutenance de thèse

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

17. Calage des modèles : Connaissances issues de la pratique Choix du modèle Calage du modèle • Exemple : taux de mortalité des autotrophes pour l’ASM1 bANO j-1 1 jeu de paramètre original 30 jeux de paramètres Hélène Hauduc – Soutenance de thèse

18. Calage des modèles : Critères de qualité Choix du modèle Calage du modèle Modèle dynamique Comment caractériser la concordance du modèle et des données observées ? Hélène Hauduc – Soutenance de thèse

19. Calage des modèles : Critères de qualité Choix du modèle Calage du modèle • Critères simples sur les erreurs Hélène Hauduc – Soutenance de thèse

20. Calage des modèles : Critères de qualité Choix du modèle Calage du modèle • Problème multi-critères pic chronologie des évènements moyenne Hélène Hauduc – Soutenance de thèse

21. Calage des modèles : Procédure de calage automatisé Choix du modèle Calage du modèle Logiciels Principales étapes Données d’entrée Echantillonnage Monte Carlo K jeux de paramètres Fourchettes de valeurs R Configuration WEST Données d’affluent Excel / VBA K Simulations Tornado Observations C Critères de Qualité K=9 BlueM.Opt / Access Calcul de K.C critères de qualité K=9 Calcul K critères de qualité globaux Jeu de paramètres calés Hélène Hauduc – Soutenance de thèse

22. N Configuration Configuration Configuration Données d’affluent Données d’affluent Données d’affluent Observations Observations Observations Calage des modèles : Vers un jeu de paramètres par défaut Choix du modèle Calage du modèle Echantillonnage Monte Carlo K jeux de paramètres Fourchettes de valeurs K Simulations .N C Critères de Qualité Calcul de K.C critères de qualité .N Calcul K critères de qualité globaux .N Calcul K critères de qualité globaux Jeu de paramètres par défaut Hélène Hauduc – Soutenance de thèse

23. Calage des modèles : Conclusions Choix du modèle Calage du modèle Exemples d’application Fourchettes de valeurs Paramètres à caler et fourchettes de valeurs Bibliographie des critères de qualité Critère de qualité Etude des critères sur un cas pratique Critères de qualité Procédure de calage automatisé Jeux de données validés Adaptation de la procédure Jeu de paramètres par défaut Hélène Hauduc – Soutenance de thèse

24. 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 d’une méthodologie d’obtention de jeux de paramètres par défaut • Procédure de calage automatisé • Critère de qualité des modèles Choix du modèle Calage du modèle Hélène Hauduc – Soutenance de thèse

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

26. Remerciements Good Modelling Practice Task Group Guidelines for use of activated sludge models Hélène Hauduc – Soutenance de thèse