Unité de Recherche
Hydrosystèmes et bioprocédés
SUJET DE THESE
MODELISATION DES ECOULEMENTS ET DU TRANSFERT DE MATIERE DANS LES BASSINS D'AERATION EN PRESENCE DE BOUES ACTIVEES
Mots clés
Boues activées ; CFD ; modélisation ; transfert de matière ; rhéologie
Contexte
L'optimisation des écoulements et de l'apport d'oxygène dans les bioréacteurs aérobies est indispensable pour d'une part garantir un traitement poussé des eaux résiduaires et d'autre part réduire les coûts d'exploitation des stations d'épuration. La dépense énergétique liée à l'aération peut en effet représenter de 50 à 70 % de la consommation totale d'électricité d'une station d'épuration à boues activées, et parfois plus dans le cas de bioréacteurs à membranes (BRM) (Racault et al., 2009).
Pour optimiser les couples bassins d'aération/système d'aération, les outils de mécanique des fluides numérique (CFD) sont par ailleurs particulièrement adaptés (Vermande et al., 2005 ; Fayolle et al., 2008). Ils permettent d'observer numériquement l'impact de variantes de conception (forme des bassins, disposition des rampes de diffuseurs d’air, …), de dimensionnement (dimension des bassins, hauteur d'eau, nombres de rampes de diffuseurs,
…) et des paramètres de fonctionnement (débits d'air, puissance d'agitation, …) des installations sur les performances d'oxygénation des systèmes d'aération.
La modélisation de ces écoulements et du transfert d'oxygène en eau claire a fait l'objet des travaux de thèse de Yannick Fayolle (2006). Un protocole de modélisation a été développé (Fayolle et al., 2007) : il inclut la démarche à suivre ainsi que les modèles à utiliser (modèle d'agitation, de turbulence et de transfert de masse). L'outil numérique obtenu est actuellement modifié afin d'améliorer la modélisation de l'agitation et du transfert de matière – toujours pour des bassins remplis d'eau claire - dans le cadre du projet ANR O2 STAR (Programme PRECODD 2007, https://o2star.cemagref.fr/). Ce projet, qui fait suite aux travaux de thèse de Yannick Fayolle (2006), est coordonné par le Cemagref (Sylvie Gillot).
L'étape suivante du développement de cet outil numérique consiste à adapter les modèles afin de prendre en compte les conditions de fonctionnement des bioréacteurs en présence de biomasse (impact de la concentration des boues et des caractéristiques physico- chimiques du milieu sur les écoulements et le transfert de matière).
Le passage de l'eau claire aux conditions de fonctionnement en présence de biomasse (boues activées) pose notamment la question de la caractérisation du comportement rhéologique des boues et de l'impact associé sur les écoulements et le transfert de matière.
Selon la synthèse bibliographique réalisée par Seyssiecq et al. (2003), les boues de station d'épuration (boues activées, digestion, …) sont considérées comme des fluides non- newtoniens, pouvant avoir des comportements rhéologiques différents (cf. tableau ci-après).
De cette synthèse bibliographique, il apparait clairement que :
(i) les boues activées doivent être considérées comme des fluides non-newtoniens (à la différence de l'eau claire) ;
(ii) les méthodes utilisées pour la caractérisation rhéologique des boues activées ne sont pas homogènes, pouvant entrainer des différences au niveau des comportements observés ; (ii) les modèles proposés afin de représenter le comportement rhéologique des boues activées peuvent différer d'un auteur à l'autre.
Par ailleurs, le coefficient de transfert d'oxygène mesuré au sein de ces différentes matrices
z a Laαη
k −
Avec : ηa la viscosité apparente du fluide. La valeur de l'exposant Z est dépendante du type de fluide étudié (concentration, type de boues, liquide interstitiel, …).
Tableau 1 : Comportement rhéologique des boues activées - Synthèse bibliographique Comportement
rhéologique
Définition Fluide étudié Référence
Boues activées
(domestiques et industrielles)
SS = 3.3-42 g l-1
Sutapa (1996)
Boues activées
SS = 5 – 110 g l-1 Pagny (1997) Rhéofluidifiant
La viscosité diminue lorsque la contrainte de cisaillement augmente
Boues activées / Boues digérées
SS = 12 – 57 g l-1
Lolito et al. (1997) Boues activées
SS = 1.5 – 9 g l-1 Dick et Ewing (1967) Boues activées / Boues
digérées SS = 12 – 57 g l-1
Lotito et al. (1997) Boues primaires /
Boues activées / Boues digérées
SS = 5 – 350 g l-1
Battistonni (1997) Visco-plastique
Les boues réagissent à la contrainte comme si elle était composée d'un solide plastique et d'un fluide visqueux
Boues activées
SS = 0 - 20 g l-1 Dollet (2000) Thixotrope
La viscosité diminue au cours du temps sous une contrainte constante
Boues activées
SS = 5 – 110 g l-1 Pagny (1997)
Si quelques références portent sur la modélisation à l’aide de la CFD dans les bioréacteurs d'épuration en présence de biomasse (Glover et al., 2006 ; Guimet et al., 2007 ; Le Moullec et al., 2009), aucun auteur ne s'est jusqu'à présent intéressé à la représentation des boues activées [doivent elles être considérées et modélisées comme un matériau monophasique ou un couple fluide (eau interstitielle) - solide (flocs) ?], ni à l'impact simultané de la rhéologie et des caractéristiques physico-chimiques de celles-ci sur le transfert d'oxygène.
Les modèles actuellement utilisés pour le transfert de matière dans les milieux chargés sont ceux développés et validés en eau claire, sans considération des phénomènes ayant lieu en présence de boues activées (adsorption des composés tensio-actifs sur les bulles d'air, notamment).
Objectif
L’objectif de ce travail de thèse est de compléter l'outil numérique mis au point en eau claire afin de simuler les écoulements et le transfert d'oxygène en présence de biomasse dans les bioréacteurs des stations d'épuration à boues activées.
Ce développement implique : (i) la caractérisation du comportement rhéologique des boues et (ii) la prise en compte de l'impact des conditions de fonctionnement et de la biomasse sur le transfert de matière.
Un tel outil permettra de caractériser l'influence des facteurs de dimensionnement et de fonctionnement sur le transfert d'oxygène en présence de boues activées et ainsi d'optimiser le traitement des eaux résiduaires dans les bioréacteurs aérobies.
Méthodologie
Ce projet s’organise en quatre étapes principales :
1. Caractérisation du comportement rhéologique des boues activées : il s’agit d'identifier les différences entre les comportements proposés, et d'en déduire des modèles utilisables en CFD. Le comportement rhéologique des boues sera également examiné à une échelle locale, de manière à prendre en compte l'impact probable de différences spatiales sur les écoulements et le transfert de matière (lié à la décantation dans les bassins, par exemple). Cette caractérisation nécessite de mesurer la viscosité des boues - à différentes concentrations et provenant de divers bassins biologiques – à l'aide d'un appareillage adapté (de type rhéomètre dynamique).
2. Développement d'un modèle de transfert d'oxygène adapté. Cette étape consistera à développer un modèle de transfert sur la base des connaissances acquises lors des travaux antérieurs du Cemagref (Gillot, 1997 ; Capela, 2000 ; Gillot et Héduit, 2008) concernant les mécanismes de modification du transfert d'oxygène en présence de boues activées (modifications de la taille des bulles d'air, adsorption de composés tensio- actifs, …). Ces connaissances seront complétées par des données qui seront acquises à l'échelle pilote (colonne à bulles) afin de caractériser en parallèle le milieu et le transfert d'oxygène en présence de boues activées.
3. Choix des données de validation des modèles : Les paramètres d'entrée et de validation des modèles CFD généralement mesurées en eau claire (Fayolle et al., 2006) ne seront pas a priori tous mesurables en présence de biomasse (taille des bulles d'air, par exemple). Les paramètres nécessaires à la validation des modèles devront donc être reconsidérés afin d'aboutir au développement de méthodologies de mesure et à l'acquisition de données supplémentaires requises pour l'étape de validation.
4. Validation des modèles. Les modèles développés en présence de biomasse proposés seront validés in situ, dans la mesure du possible sur les sites où des modèles ont été développés et validés en eau claire.
Programmation du projet
Des modèles CFD de modélisation des écoulements et du transfert de matière en eau claire ont été développés dans le cadre des travaux de thèse de Yannick Fayolle (2006) et du projet ANR O2 STAR (sur 1 pilote et 7 sites réels).
Il est par ailleurs envisagé de réaliser l'étape de caractérisation expérimentale du comportement rhéologique des boues activées en lien direct avec l'unité TSCF. Cette unité dispose d'un savoir-faire et des équipements nécessaires (rhéomètre dynamique) à cette caractérisation.
Les pilotes (colonnes à bulles) requis pour les mesures en boues activées sont disponibles (colonnes de laboratoire et de terrain pour des mesures in situ).
Le déroulement proposé pour les travaux envisagés est le suivant : Année 1 (2011)
- Bibliographie
- Synthèse des méthodes de mesure et des comportements rhéologiques des boues activées en fonction de la concentration en boues
- Synthèse des phénomènes régissant le transfert d'oxygène en boues activées
- Développement d'un protocole de mesure des paramètres (écoulements et transfert) nécessaires à la validation des modèles à l'échelle industrielle
Année 2 (2012)
- Développement de modèles de viscosité et de transfert de matière
- Modification de l'outil numérique, développé pour l'eau claire, pour inclure les critères déterminants en boues activées
- Choix du/des sites de mesure et détermination expérimentale des paramètres caractéristiques des écoulements et du transfert de matière, caractérisation du comportement rhéologique des boues, globalement et localement, et analyse des caractéristiques physico-chimiques.
Année 3 (2013)
- Développement et évaluation des modèles sur les sites examinés :
o analyse de sensibilité des modèles aux paramètres déterminants (viscosité, concentration en tensio-actifs, …) ;
o utilisation des modèles afin de déterminer l'impact de choix de conception, de dimensionnement et de fonctionnement sur le transfert d'oxygène.
- Rédaction du mémoire de thèse
Valorisation des travaux
La valorisation des travaux de thèse pourrait être envisagée de la manière suivante :
1. Articles scientifiques (Génie des procédés [Chemical Engineering Science, Chemical Engineering Journal] et Traitement de l'eau [Water Science and technology, Water Research])
2. WEFTEC, 2013
Contrat de thèse
Le candidat sera admis au Cemagref en qualité de doctorant suivant contrat à durée déterminée à compter du 1er décembre 2010.
Fonctionnement
Les coûts de fonctionnement de la thèse seront pris en charge par l’Unité de Recherche
« Hydrosystèmes et Bioprocédés » du Cemagref.
Il est également envisagé de proposer la suite du projet ANR O2 STAR (dont la fin est prévue en avril 2011) dans le cadre de l'Appel A Projet (AAP) Eco-industries et d'y intégrer le financement d'une partie des coûts de fonctionnement de la thèse.
Environnement Scientifique
L’encadrement de la thèse au sein de l’Unité de Recherche HBAN sera assuré par Sylvie Gillot (Ingénieur de recherche, docteur d’université) et Yannick Fayolle (Ingénieur de Recherche, docteur d'université). Arnaud Cockx (INSA de Toulouse, Maître de conférences) a également été sollicité pour encadrer ce travail.
La direction de thèse sera assurée par Sylvie Gillot (Ingénieur de Recherche au Cemagref, HDR).
Comité de pilotage et université d’accueil
Jean-Christophe Baudez (Cemagref Montoldre, UR TSCF) a donné son accord pour sa participation au comité de pilotage.
Gilles Hébrard (INSAT) pourrait également être sollicité pour participer à ce comité, ainsi qu'un ou deux représentants industriels du consortium du projet O2 STAR.
Des discussions avec l'équipe bordelaise du TR EPURE seront également organisées pour les aspects portant sur l'aération dans les milieux concentrés (Bioréacteurs à Membranes).
Le doctorant sera inscrit à l'INSA de Toulouse.
Références récentes du TR EPURE en aération
Fayolle, Y., Gillot, S., Cockx, A., Bensimhon, L., Roustan, M. and Héduit, A. (2009) In situ characterisation of local hydrodynamic parameters in aeration tanks. Chemical Engineering Journal, accepté
Racault, Y., Stricker, A-E., Husson, A., Gaillard, M., Gillot, S. (2009) Monitoring the variations of alpha factor in a full scale membrane bioreactor using daily mass balances, 5th IWA specialised Membrane Technology conference for water & wastewater treatment, Beijing, China, 1-3 September 2009. Accepté
Fayolle, Y., S. Gillot, A. Cockx, M. Roustan and A. Heduit (2008) CFD Modeling: An efficient tool to optimize the design and operation of aeration systems 81st Annual Water Environment Federation ;Technical Exhibition and Conference, Chicago, USA, 18-22 octobre 2008 17 p.
Gillot, S., Héduit, A. (2008) Prediction of alpha factor values for fine pore aeration systems.
Wat. Sci. Tech. 58(8), 1265-1269.
Fayolle, Y., Cockx, A., Gillot, S., Roustan, M. and Héduit, A. (2007) Oxygen transfer prediction in aeration tanks using C.F.D, Chemical Engineering Science, 62, 7163-7171.
Racault, Y., Gillot, S. (2007) Use of mass balance for the determination of oxygen contribution of the different air sources in a full-scale membrane bioreactor. In:
Proceedings 80th Annual WEF Conference and Exposition. San Diego, USA, October.
Fayolle, Y. (2006) Modélisation de l'hydrodynamique et du transfert d'oxygène dans les chenaux d'aération Thèse de doctorat, Ecole doctorale Transfert, Dynamique des Fluides, Energétique et Procédés, INSA de Toulouse 295 p. + Annexes.
Fayolle, Y., S. Gillot, A. Cockx, M. Roustan and A. Héduit (2006) In situ local parameter measurements for CFD modelling to optimize aeration 79th Annual Technical Exhibition and Conference WEFTEC'06, October 21-25, Dallas, USA 12 pp.
Gillot, S., Kies, F., Amiel, C., Roustan, M., Héduit, A. (2005) Application of the off-gas method to the measurement of oxygen transfer in biofilters. Chemical Engineering Science, 60, 6336-6345.
Autres références
Battistoni, P. (1997) Pre-treatment, measurement execution procedure and waste
Capela, S. (1999) Influence des facteurs de conception et des conditions de fonctionnement des stations d'épuration en boues activées sur le transfert d'oxygène Thèse de doctorat, Université Paris XII - Val de Marne 152 p. + annexes.
Dick, R. I. and B. B. Ewing (1967) The rheology of activated sludge Journal of the Water Pollution Control Federation 39(4) 543-560.
Dollet, P. (2000) Application Rhéologique à la Caractérisation de l'État de Floculation des Boues Activées Université de Limoges, Ph.D. thesis
Gillot, S. (1997) Transfert d'oxygène en boues activées par insufflation d'air - Mesure et élements d'interprétation Thèse de doctorat, Université Paris XII - Val de Marne 145 p. + annexes.
Glover, G. C., C. Printemps, K. Essemiani and J. Meinhold (2006) Modelling of wastewater treatment plants - How far shall we go with sophisticated modelling tools? Water Science and Technology 53(3) 79-89.
Guimet, V., T. Honoré, J. M. Audic and Z. Do-Quang (2007) Rheology and oxygen transfer in CFD models for wastewater Progress in Computational Fluid Dynamics 7(2-4) 219-229.
Le Moullec, Y., C. Gentric, O. Potier and J. P. Leclerc (2009) CFD simulation of the hydrodynamics and reactions in an activated sludge channel reactor of wastewater treatment Chemical Engineering Science
Lotito, V., L. Spinosa, G. Mininni and R. Antonacci (1997) The rheology of sewage sludge at different steps of treatment Water Science and Technology 36(11) 61-67.
Pagny, C. (1997) Etude Rhéologique des Suspensions de Boues Activées Ecole Nationale Supérieure des Industries Chimiques, INPL, Nancy, rapport de DEA
Seyssiecq, I., J. H. Ferrasse and N. Roche (2003) State-of-the-art: Rheological characterisation of wastewater treatment sludge Biochemical Engineering Journal 16(1) 41-56.
Sutapa, I. (1996) Propriétés Physico-Chimiques et Décantabilité des Boues Activées en Relation Avec le Transfert d'Oxygène et la Biofloculation. Institut National Polytechnique de Lorraine, Ph.D. thesis
Vermande, S., M. Chaumaz, S. Marsal, L. Dumoulin, K. Essemiani and J. Meinhold (2005) Modélisation numérique d'un bassin à grande profondeur Récent progrès en Génie des Procédés 92 8 p.
