| Titre de série : |
Thèse en Sciences et Technologies de l'Eau, de l'Energie et de l’Environnement |
| Titre : |
Application of Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactor coupled with Trickling Filters for Municipal Wastewater Treatment : Technical, Environmental and economic assessment in the tropical developing country of Ghana |
| Type de document : |
texte imprimé |
| Auteurs : |
Philomina Mamley Adantey ARTHUR, Auteur |
| Année de publication : |
2023 |
| Importance : |
259 P. |
| Langues : |
Français (fre) |
| Résumé : |
La gestion des eaux usées reste un défi majeur dans la plupart des pays en développement notamment ceux d'Afrique subsaharienne confrontés au manque d'infrastructures adéquates pour la collecte, l'évacuation, et le traitement de ces eaux. Ce défi est davantage exacerbé par la croissance rapide de la population, l'urbanisation galopante et l'industrialisation. Les eaux usées non traitées contiennent pourtant des polluants divers tels que des composés toxiques et des agents pathogènes qui mettent en danger la santé publique et les écosystèmes récepteurs. Elles sont cependant composées de riches ressources telles que de l'eau douce, des nutriments et de l’'énergie qui peuvent être exploitées en utilisant des technologies adaptées et respectueuses de l'environnement, en appliquant les principes de l'économie circulaire, ce qui favoriserait une gestion durable des eaux usées. Le réacteur à lit de boues anaérobie à flux ascendant (UASB) est considéré comme une option technologique efficace de traitement des eaux usées qui a été largement mise en oeuvre dans plusieurs régions du monde, notamment en Europe, en Amérique latine et en Inde. Cette technologie est cependant moins représentée en Afrique subsaharienne malgré les conditions climatiques qui semblent être favorables à son fonctionnement. Cette étude de thèse a porté sur l’évaluation de la viabilité technique, environnementale et économique d'un réacteur UASB grandeur réelle couplé à des lits bactériens comme unités de post-traitement à la STEP de Mudor à Accra, capitale du Ghana dans la sous-région ouest-africaine. L'évaluation technique a révélé une performance satisfaisante du système UASB avec une efficacité d'élimination de plus de 70% pour les paramètres de pollutions considérés (matières solides, les matières organiques et les charges microbiennes), tandis que le post-traitement par lits bactériens a encore amélioré l'élimination de ces contaminants jusqu'aux limites acceptables fixées par l’Agence de Protection de l’Environnement (EPA) du Ghana. La quantité journalière de biogaz produite est comprise entre 101 Nm3/j et 1673 Nm3/j, avec une production moyenne journalière de à 613 ± 271 Nm3/j, correspondant à un rendement spécifique de 0.140 ± 0.07 m3biogaz/kgDCO traitée. La qualité du biogaz produit contient en moyenne 65% de méthane. Cependant, 23% du méthane généré est dissous dans l'effluent, ce qui réduit le potentiel de valorisation énergétique du biogaz. L'évaluation environnementale a utilisé la méthodologie du GIEC pour mesurer l'empreinte carbone de la station de traitement des eaux usées municipales de Mudor. L'étude a révélé que les émissions totales de gaz à effet de serre (GES) provenant des opérations de cette station s’élevaient à 39 619,36 tCO2eq/an. Les émissions de CO2 provenant de la consommation
d'énergie ont été estimées à 165,74 tCO2eq/an, soit 8,5% des émissions totales. Le méthane dissous dans les effluents a été identifié comme la source la plus importante d'émissions de GES avec une contribution de plus de 90%, soit 37 676,67 tCO2eq/an. Une analyse coûts-avantages a été utilisée pour l'évaluation économique. Elle a révélé que la gestion du personnel était responsable du pourcentage le plus élevé (37%) des charges d’exploitation, tandis que la consommation d'énergie de la station d'épuration ne représentait que 7,3% des charges globales d’exploitation. L'analyse des bénéfices effectuée en utilisant la valorisation des ressources a révélé que le potentiel de récupération d'énergie (534,1 MWh/an) à partir du biogaz et des boues générées par la station pourrait compenser complètement la demande totale d'énergie de la station (392,7 MWh/an). Il a également été constaté que l'effluent traité riche en nutriments présentait une concentration plus faible en métaux lourds et une charge microbienne acceptable pour réutilisation en agriculture. Fort de ces résultats, la technologie du réacteur UASB présente donc une alternative de traitement efficace des eaux usées, économiquement réalisable et qui peut être mise en oeuvre dans les pays en développement en vue d'une gestion des eaux usées pour le développement durable dans cette partie du monde.
Abstract : Wastewater management remains one major challenge in most developing countries in sub-Saharan Africa (SSA) due to the lack of adequate infrastructure for wastewater disposal, collection, and treatment. This challenge has been exacerbated by rapid population growth, urbanization, and industrialization. Meanwhile, untreated wastewater contains pollutants such as toxic compounds and pathogens which put at risk public health and the receiving ecosystems. Wastewater is, however, composed of rich resources such as freshwater, nutrients and energy, which can be harnessed using modern and eco-friendly technologies that employ circular economy principles, promoting sustainable wastewater management. The Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) reactor has been identified as an efficient and low-cost wastewater treatment option which has been widely implemented in several regions of the world, especially in Latin America and India. This technology is, however, less represented in SSA despite the favourable climatic conditions. This study, therefore, evaluated the technical, environmental, and economic sustainability of a full-scale UASB reactor coupled with Trickling Filters as post-treatment units in Accra, the capital city of Ghana in the West African sub-region. The technical assessment revealed satisfactory system performance with over 70% removal efficiency for solids, organic matter, and microbial loads, whilst post-treatment further enhanced the removal of these contaminants to acceptable limits set by the Environmental Protection Agency (EPA), Ghana. However, the system could not adequately remove nutrients, with nitrogen and phosphorous compounds far exceeding discharge limits. Daily biogas production was between 101 Nm3/d and 1673 Nm3/d, with an average daily production of 613 ± 271 Nm3/d, corresponding to a specific yield of 0.14 ± 0.07 m3biogas/kgCOD removed. Biogas produced contained 65% of methane. However, 23% of the methane generated remained dissolved in the effluent, reducing biogas energy recovery potential. Environmental assessment employed the IPCC GHG inventory methodology to measure the carbon footprints of the full-scale municipal wastewater treatment plant. It was found from the study that the total greenhouse gas (GHG) emissions from the operations of the Mudor Plant were estimated at 39,619.36 tCO2eq/yr. CO2 emissions from energy consumption were estimated at 165.74 tCO2eq/yr, constituting 8.5% of the total emissions. Dissolved methane in the effluent was identified as the single most significant source of GHG emissions, with over 90% contribution at 37,676.67 tCO2eq/yr. A cost-benefit analysis was employed for the economic assessment. Cost analysis revealed that staff management was responsible for the highest percentage (37%)
of the operational cost, whilst energy consumption of the anaerobic-based wastewater treatment plant was only 7.3% of the total operational cost. Benefit analysis carried out employing resource recovery revealed that energy recovery potential (534.1 MWh/yr) from biogas and sludge generated by the Plant could completely offset the total Plant energy demand (392.7 MWh/yr). Additionally, it was found that the nutrient-rich effluent had lower heavy metals concentration with acceptable microbial load count for urban irrigation. Thus, the UASB reactor technology presents an efficient, economically feasible and sustainable wastewater treatment alternative that can be implemented in developing countries towards the attainment of sustainable wastewater management for sustainable development in this part of the world. |
Thèse en Sciences et Technologies de l'Eau, de l'Energie et de l’Environnement. Application of Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactor coupled with Trickling Filters for Municipal Wastewater Treatment : Technical, Environmental and economic assessment in the tropical developing country of Ghana [texte imprimé] / Philomina Mamley Adantey ARTHUR, Auteur . - 2023 . - 259 P. Langues : Français ( fre)
| Résumé : |
La gestion des eaux usées reste un défi majeur dans la plupart des pays en développement notamment ceux d'Afrique subsaharienne confrontés au manque d'infrastructures adéquates pour la collecte, l'évacuation, et le traitement de ces eaux. Ce défi est davantage exacerbé par la croissance rapide de la population, l'urbanisation galopante et l'industrialisation. Les eaux usées non traitées contiennent pourtant des polluants divers tels que des composés toxiques et des agents pathogènes qui mettent en danger la santé publique et les écosystèmes récepteurs. Elles sont cependant composées de riches ressources telles que de l'eau douce, des nutriments et de l’'énergie qui peuvent être exploitées en utilisant des technologies adaptées et respectueuses de l'environnement, en appliquant les principes de l'économie circulaire, ce qui favoriserait une gestion durable des eaux usées. Le réacteur à lit de boues anaérobie à flux ascendant (UASB) est considéré comme une option technologique efficace de traitement des eaux usées qui a été largement mise en oeuvre dans plusieurs régions du monde, notamment en Europe, en Amérique latine et en Inde. Cette technologie est cependant moins représentée en Afrique subsaharienne malgré les conditions climatiques qui semblent être favorables à son fonctionnement. Cette étude de thèse a porté sur l’évaluation de la viabilité technique, environnementale et économique d'un réacteur UASB grandeur réelle couplé à des lits bactériens comme unités de post-traitement à la STEP de Mudor à Accra, capitale du Ghana dans la sous-région ouest-africaine. L'évaluation technique a révélé une performance satisfaisante du système UASB avec une efficacité d'élimination de plus de 70% pour les paramètres de pollutions considérés (matières solides, les matières organiques et les charges microbiennes), tandis que le post-traitement par lits bactériens a encore amélioré l'élimination de ces contaminants jusqu'aux limites acceptables fixées par l’Agence de Protection de l’Environnement (EPA) du Ghana. La quantité journalière de biogaz produite est comprise entre 101 Nm3/j et 1673 Nm3/j, avec une production moyenne journalière de à 613 ± 271 Nm3/j, correspondant à un rendement spécifique de 0.140 ± 0.07 m3biogaz/kgDCO traitée. La qualité du biogaz produit contient en moyenne 65% de méthane. Cependant, 23% du méthane généré est dissous dans l'effluent, ce qui réduit le potentiel de valorisation énergétique du biogaz. L'évaluation environnementale a utilisé la méthodologie du GIEC pour mesurer l'empreinte carbone de la station de traitement des eaux usées municipales de Mudor. L'étude a révélé que les émissions totales de gaz à effet de serre (GES) provenant des opérations de cette station s’élevaient à 39 619,36 tCO2eq/an. Les émissions de CO2 provenant de la consommation
d'énergie ont été estimées à 165,74 tCO2eq/an, soit 8,5% des émissions totales. Le méthane dissous dans les effluents a été identifié comme la source la plus importante d'émissions de GES avec une contribution de plus de 90%, soit 37 676,67 tCO2eq/an. Une analyse coûts-avantages a été utilisée pour l'évaluation économique. Elle a révélé que la gestion du personnel était responsable du pourcentage le plus élevé (37%) des charges d’exploitation, tandis que la consommation d'énergie de la station d'épuration ne représentait que 7,3% des charges globales d’exploitation. L'analyse des bénéfices effectuée en utilisant la valorisation des ressources a révélé que le potentiel de récupération d'énergie (534,1 MWh/an) à partir du biogaz et des boues générées par la station pourrait compenser complètement la demande totale d'énergie de la station (392,7 MWh/an). Il a également été constaté que l'effluent traité riche en nutriments présentait une concentration plus faible en métaux lourds et une charge microbienne acceptable pour réutilisation en agriculture. Fort de ces résultats, la technologie du réacteur UASB présente donc une alternative de traitement efficace des eaux usées, économiquement réalisable et qui peut être mise en oeuvre dans les pays en développement en vue d'une gestion des eaux usées pour le développement durable dans cette partie du monde.
Abstract : Wastewater management remains one major challenge in most developing countries in sub-Saharan Africa (SSA) due to the lack of adequate infrastructure for wastewater disposal, collection, and treatment. This challenge has been exacerbated by rapid population growth, urbanization, and industrialization. Meanwhile, untreated wastewater contains pollutants such as toxic compounds and pathogens which put at risk public health and the receiving ecosystems. Wastewater is, however, composed of rich resources such as freshwater, nutrients and energy, which can be harnessed using modern and eco-friendly technologies that employ circular economy principles, promoting sustainable wastewater management. The Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) reactor has been identified as an efficient and low-cost wastewater treatment option which has been widely implemented in several regions of the world, especially in Latin America and India. This technology is, however, less represented in SSA despite the favourable climatic conditions. This study, therefore, evaluated the technical, environmental, and economic sustainability of a full-scale UASB reactor coupled with Trickling Filters as post-treatment units in Accra, the capital city of Ghana in the West African sub-region. The technical assessment revealed satisfactory system performance with over 70% removal efficiency for solids, organic matter, and microbial loads, whilst post-treatment further enhanced the removal of these contaminants to acceptable limits set by the Environmental Protection Agency (EPA), Ghana. However, the system could not adequately remove nutrients, with nitrogen and phosphorous compounds far exceeding discharge limits. Daily biogas production was between 101 Nm3/d and 1673 Nm3/d, with an average daily production of 613 ± 271 Nm3/d, corresponding to a specific yield of 0.14 ± 0.07 m3biogas/kgCOD removed. Biogas produced contained 65% of methane. However, 23% of the methane generated remained dissolved in the effluent, reducing biogas energy recovery potential. Environmental assessment employed the IPCC GHG inventory methodology to measure the carbon footprints of the full-scale municipal wastewater treatment plant. It was found from the study that the total greenhouse gas (GHG) emissions from the operations of the Mudor Plant were estimated at 39,619.36 tCO2eq/yr. CO2 emissions from energy consumption were estimated at 165.74 tCO2eq/yr, constituting 8.5% of the total emissions. Dissolved methane in the effluent was identified as the single most significant source of GHG emissions, with over 90% contribution at 37,676.67 tCO2eq/yr. A cost-benefit analysis was employed for the economic assessment. Cost analysis revealed that staff management was responsible for the highest percentage (37%)
of the operational cost, whilst energy consumption of the anaerobic-based wastewater treatment plant was only 7.3% of the total operational cost. Benefit analysis carried out employing resource recovery revealed that energy recovery potential (534.1 MWh/yr) from biogas and sludge generated by the Plant could completely offset the total Plant energy demand (392.7 MWh/yr). Additionally, it was found that the nutrient-rich effluent had lower heavy metals concentration with acceptable microbial load count for urban irrigation. Thus, the UASB reactor technology presents an efficient, economically feasible and sustainable wastewater treatment alternative that can be implemented in developing countries towards the attainment of sustainable wastewater management for sustainable development in this part of the world. |
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