Modélisation hybride du procédé de boues activées dans l'industrie des pâtes et papiers : étude et prédiction du foisonnement filamenteux

Depuis plusieurs années, l'industrie des pâtes et papiers canadienne fait face à plusieurs défis. L'augmentation des coûts reliés à l'énergie et l'affaiblissement des marchés d'exportation relié à la force du dollar canadien sont des exemples de facteurs qui ont contribué à freiner la performance de l'industrie de façon considérable. Cette situation l'a forcée à considérer l'efficacité et l'innovation en termes d'opération et d'équipement et ainsi à identifier des opportunités de réduire les coûts d'exploitation. Le traitement des eaux usées par le procédé de boues activées est largement implanté dans l'industrie des pâtes et papiers. Il peut cependant s'avérer difficile à opérer, particulièrement lors d'évènements de foisonnement. Le phénomène appelé foisonnement est le plus souvent causé par une surcroissance de bactéries filamenteuses, et les usines traitant les effluents de fabrication de pâtes et papiers semblent être particulièrement sujettes à ces problèmes. Par conséquent, les boues activées décantent lentement et ne s'épaississent pas de façon adéquate, menant parfois au débordement de boues à l'effluent. Si les causes et les sources du problème ne sont pas identifiées à l'avance, le phénomène de foisonnement filamenteux requiert l'utilisation de mesures correctives coûteuses pour éviter de compromettre l'efficacité du traitement et continuer à respecter les normes de rejet. De plus, l'utilisation de ces méthodes réactives plutôt que proactives ne cible pas les causes spécifiques des problèmes et n'en supprime les effets que temporairement. La DBO et les MES à l'effluent d'usines canadiennes étant généralement bien en-dessous des normes établies, la question opérationnelle clé n'est donc pas d'améliorer l'efficacité du traitement, mais bien d'éviter les perturbations de procédé. L'importance de prédire l'occurrence du foisonnement filamenteux à son début et d'identifier les facteurs contribuant à de telles poussées vers des états non désirables est donc importante pour assurer la performance du procédé de boues activées. L'objectif principal de la thèse était de développer une approche systématique pour la prédiction, le diagnostic et la réduction de problèmes de foisonnement filamenteux dans l'industrie des pâtes et papiers. Pour prédire les problèmes de foisonnement filamenteux avant que son momentum soit inarrêtable ou avant que l'utilisation de produits chimiques soit impérative, il est important de développer des procédures utilisant sur des données que des opérateurs peuvent facilement suivre et incorporer dans leur routine décisionnelle. Les objectifs spécifiques sous-jacents à cet objectif général étaient (1) de vérifier le potentiel de mesures émergentes à prédire les problèmes de foisonnement filamenteux normalement surveillés à l'aide d'indices de volume des boues, (2) d'obtenir un signal d'alerte identifiant le début d'un problème de foisonnement filamenteux et (3) d'identifier les facteurs contribuant au foisonnement filamenteux ainsi que les sources reliées à son occurrence. En fournissant donc aux opérateurs des signaux d'alerte ainsi que les relations de cause-source correspondantes, un contrôle durable du foisonnement filamenteux pourrait être implanté et les coûts d'exploitation en seraient diminués.

Abstract

The Canadian pulp and paper industry has faced many challenges over the last few years. Rising energy costs and export markets weakened by a strong Canadian dollar are examples of setbacks that have considerably dampened performance. This has left the industry with the need for innovation in equipment and operation and the need to identify opportunities for reducing operating costs. Wastewater treatment by the activated sludge treatment process has been widely implemented in the pulp and paper industry. However, this process can be difficult to operate, particularly during sludge bulking events. The phenomenon called bulking is most often caused by the excessive growth of filamentous bacteria and plants treating the effluents from pulp and paper manufacturing are particularly subject to these problems. Consequently, activated sludge settles slowly and does not thicken adequately, often leading to sludge escaping from the secondary clarifiers to the final effluent. If the causes and sources of the problem are not identified in advance, filamentous bulking will require costly remediation measures to avoid compromising treatment efficiency and to maintain compliance with effluent permit levels. Furthermore, the use of these reactive rather than proactive methods does not target the specific causes of these problems and only temporarily suppresses the effects. Effluent BOD and TSS from Canadian mills are usually far below accepted levels, and the key operational issue lies not in improving efficiency, but in avoiding process upsets. The importance of predicting the onset of filamentous bulking and of identifying the factors contributing to such an outbreak towards non desirable states is thus important in order to ensure that an optimal performance of the activated sludge process is maintained. The main objective of this thesis was to develop a systematic approach for predicting, troubleshooting and reducing filamentous bulking problems in the pulp and paper industry. In order to predict the onset of filamentous bulking problems before its momentum becomes unstoppable or before the use of chemicals is imperative, it is important to develop procedures that are based on actionable data that operators can easily follow and incorporate into their decision-making routine. The underlying specific objectives were (1) to verify the potential of emerging measurements to predict filamentous bulking problems normally monitored with sludge volume indices, (2) to obtain a warning signal that identifies the onset of a filamentous bulking event and (3) to identify the factors contributing to filamentous bulking and the sources related to its occurrence. By providing operators with early warning signals and corresponding root cause relationships, filamentous bulking can be sustainably controlled and operating costs can be reduced.