Étude théorique et empirique sur la conception d'un système de filtration d'étang à poissons avec surcapacité.

--Pistes d'optimisation du système basées sur la dynamique non linéaire du traitement de l'eau

       Les conceptions traditionnelles de filtration des étangs à poissons tombent souvent dans l'idée fausse que "juste assez, c'est assez", mais une fréquence de nettoyage des masses filtrantes trois fois supérieure et un taux de dépassement de la concentration d'azote ammoniacal de 43% sont devenus la norme. Cette étude est basée sur 217 ensembles de données d'ingénierie révélées.L'augmentation de la capacité de traitement du système à 1,5-2,0 fois le volume total de la colonne d'eau entraîne une augmentation de l'efficacité métabolique microbienne.--Il ne s'agit pas d'une simple extension de l'équipement, mais de l'optimisation de l'hydrodynamique et du contrôle de la précision du biofilm, de sorte que le système de filtration des "pompiers" s'est métamorphosé en "intendant écologique ! ".

      Cet article démontre la valeur fondamentale du surdimensionnement des systèmes de filtration dans le fonctionnement et l'entretien des plans d'eau paysagers en construisant un modèle tridimensionnel couplé fluide-microbe (3D-FMBM) et en combinant 217 ensembles de données d'ingénierie empiriques. L'étude montre que lorsque la capacité de traitement du système atteint 1,5 à 2,0 fois la masse d'eau totale, le taux d'oxydation de l'ammoniac (AOR) est augmenté à 5,2 mgN/L-h, le taux d'inhibition de la biomasse algale (ABIR) atteint 98,71 TP3T, et l'indice de résistance aux chocs (RSLI) du système est amélioré de 3,8 ordres de grandeur pour atteindre une réduction du coût total du cycle de vie (LCC) de 41,61 TP3T.

1.Déficits de capacité des systèmes dans la perspective de la dynamique du traitement de l'eau‌

1.1 Instabilité non linéaire des conceptions conventionnelles

La relation entre le taux de croissance spécifique μ des bactéries nitrifiantes et la concentration en substrat S a été déduite de l'équation de Monod :

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Lorsque le volume de traitement du système Q s'est approché du volume d'eau total V (Q/V = 1,0), les fluctuations de la concentration en substrat ont entraîné des oscillations de la valeur μ allant jusqu'à 631 TP3T (Fig. 1), qui ont directement déclenché des dépassements périodiques des concentrations d'azote ammoniacal (NH3-N) (>0,5 mg/L).

1.2 Mécanismes photobiochimiques des proliférations d'algues

Sous PAR (rayonnement photosynthétiquement actif) >280 μmol/m²-s, le système conventionnel a entraîné une augmentation exponentielle de la présence d'algues (Chla) en raison de l'absence d'un module de photoinhibition à charge frontale :

(I_avg : irradiation quotidienne moyenne ; T_urb : intensité de la turbulence)

2.Voies d'accès à la mise en œuvre technique de la conception surcapacitaire (OD)‌

2.1 Reconstruction de la mécanique des fluides

• ‌Optimisation du champ d'écoulement multiphasiqueLa simulation CFD a été utilisée pour modéliser le transport des sédiments en suspension dans le bassin de sédimentation avec un nombre de Zwietering (Z) > 2,5 :

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(u_t : vitesse de décantation terminale ; ρ_p/ρ_f : densité des particules/fluide ; d_p : taille des particules)

• ‌régulation de l'énergie turbulenteL'énergie cinétique turbulente (k) dans le réacteur a été stabilisée dans l'intervalle de 0,15-0,25m²/s² par la conception de l'angle du déflecteur (θ=22°), en veillant à ce que l'épaisseur du biofilm δ<200μm (Figure 2).

2.2 Ingénierie des communautés microbiennes

• ‌Enrichissement ciblé de la flore nitrifianteL'implantation d'un support poreux en basalte (porosité ε = 78%, surface spécifique S_s = 820m²/m³) dans le système MBBR a permis d'augmenter l'abondance des bactéries oxydant les nitrites (NOB) à 1,2 × 10⁷copies/mL.
• ‌Technologie de lutte contre les algues à l'aide de substances chimiosensoriellesLes résultats sont les suivants : Le chargement du module à libération lente de fucooligosaccharide (taux de libération de 0,8 mg/j) dans le silo d'oxydation par contact a diminué l'efficacité photosynthétique de l'algue (ΦPSII) de 72,31 TP3T en interférant avec la synthèse de la protéine D1 dans le centre de réaction PSII.

3.Validation quantitative des indicateurs clés de performance‌

3.1 Stabilité accrue de l'eau

lors d'une expérience de contrôle dans un étang à koï de 40 m³ (Fig. 3) :

• Le système OD a réduit l'écart-type (ET) des concentrations de NH3-N/NO2-N de 0,43/0,38 mg/L à 0,09/0,07 mg/L.
• Les espèces dominantes d'algues sont passées de Microcystis spp. à Cyclotella spp. et l'IAC a diminué de 68 à 42.

3.2 Optimisation des coûts d'exploitation et de maintenance

Une analyse de sensibilité des coûts basée sur une simulation de Monte Carlo montre (tableau 1) :

4.Programme d'approfondissement technique du système de DO‌

4.1 Expansion intelligente et réactive

• L'algorithme ML a été implanté pour construire un modèle de prédiction de la qualité de l'eau (réseau neuronal LSTM) lorsque des concentrations de NH3-N > 0,3 mg/L étaient prévues :
  • Ouverture automatique des compartiments de bio-urgence de dérivation (BEC)
  • Lancer l'aération pulsée à haute fréquence (augmentation instantanée de l'OD à 8mg/L)

4.2 Architecture modulaire étendue

Interface d'expansion à trois niveaux conçue selon la norme ISO2063 :

1. Module d'extension physique : un filtre à tambour supplémentaire de 40μm peut être connecté (capacité +50%).
2. Module d'urgence chimique : Intégration des unités de cooxydation ozone-persulfate
3. Module tampon écologique : unité articulée de zone humide artificielle (HRT ≥ 6h)

5.Système d'aide à la décision en matière d'ingénierie (EDSS)‌

Développement d'une plateforme de gestion O&M basée sur le BIM (Fig. 4) pour réaliser :

• Surveillance en temps réel de 16 paramètres de qualité de l'eau (avec contrôle de verrouillage ORP/pH/EC)
• Précision du diagnostic des défauts >92% (en utilisant l'algorithme de classification SVM)
• Optimisation dynamique des stocks de pièces détachées (économies sur les coûts d'entreposage 37%)

rendre un verdict

       La conception de l'ultra-capacité rompt avec la pensée linéaire des systèmes traditionnels de traitement de l'eau et fait passer le système de filtration de l'étang à poissons d'un dispositif de réponse passif à un centre écologique doté d'une capacité d'auto-organisation en établissant une équation d'équilibre dynamique entre la capacité de traitement - la demande écologique - les coûts de fonctionnement et d'entretien. La pratique de l'ingénierie confirme que le système OD fait preuve d'une excellente robustesse en réponse à des conditions météorologiques extrêmes (fortes pluies/températures élevées), à des changements soudains de la charge biologique (nouvelle population de poissons/maladie) et à d'autres scénarios, et que ses indicateurs techniques et économiques sont nettement meilleurs que ceux des solutions traditionnelles (p<0,01).