Soutenance mémoire
Eléments bibliographiques
Le procédé de traitement par boues activées mis en œuvre dans les StaRRE est présenté dans un premier temps, avec les procédés conventionnels (boues activées couplé à une décantation) et par filtration membrane. La partie suivante est consacrée à l’étude des mécanismes hydrodynamiques et du transfert de matière au sein des colonnes à bulles en se focalisant sur les systèmes à faible rétention gazeuse (< 5%), ces conditions opératoires étant représentatives des phénomènes observés dans les bassins d’aération à l’échelle industrielle au sein des StaRRE.
Procédé de traitement par boues activées
Le procédé de traitement des boues activées a pour objectif de dépolluer les eaux usées (eaux résiduaires urbaines) jusqu’à un niveau suffisant pour qu’elles puissent être restituées au milieu naturel. Le traitement comprend l’élimination des pollutions carbonée, azotée et phosphorée.
Avant le traitement à proprement parler, un traitement primaire est mis en place, avec des étapes de dégrillage, de dessablage et de déshuilage. Ce prétraitement permet de retenir à l’aide de grilles des déchets solides pouvant être contenus dans les eaux résiduaires, et les sables et les graisses sont éliminés par dépôt et flottation.
Puis un traitement physico-chimique et/ou biologique est mis en place. Le traitement physicochimique permet de former des flocs de polluants par l’ajout de produits coagulants. Le traitement biologique quant à lui, consiste en la dégradation de matière organiques dissoutes par l’action de micro-organismes qui les consomment dans le cadre de leur métabolisme. Il s’agit essentiellement de bactéries aérobies dans le cadre de l’élimination de la matière organique (pollution carbonée) et aérobies autotrophes dans le cadre de l’élimination de la pollution azotée. Les bactéries aérobies sont concentrées et ont besoin d’un apport en oxygène pour pouvoir assurer l’élimination de la pollution organique. L’aération peut être réalisée de manière naturelle (lagunage) ou par aération forcée (à l’aide de systèmes d’aération mécanique) : aérateurs de surface, aérateurs plancher ou insufflation de bulles d’air avec agitation mécanique. Dans le cadre d’une aération plancher, les diffuseurs de bulles d’air sont présents au fond du bassin, les bulles sont alors en ascension dans le liquide et transfèrent l’oxygène au cours de leur remontée. Une fois que le traitement de la pollution dissoute carbonée et azotée a été effectué dans le bassin d’aération, l’eau est transférée dans un décanteur, qui permet de séparer l’eau dépolluée des boues résiduelles, ces dernières étant ensuite extraites et revalorisées (en épandage agricole par exemple). L’eau propre quant à elle peut être restituée au milieu naturel. Une boucle de recirculation permet de renvoyer une partie des boues résiduelles sortant en fond de décanteur vers le bassin d’aération.
A noter qu’il existe un procédé alternatif de filtration par membrane. Au lieu d’utiliser un décanteur pour séparer les boues de l’eau clarifiée comme pour le traitement classique, la séparation est réalisée par des modules de filtration qui sont plongés dans le bassin d’aération ou dans des bassins séparés. L’utilisation de membranes avec des pores fins permet d’obtenir une eau traitée de meilleure qualité que pour le procédé de traitement classique, mais il existe en contrepartie des problèmes de colmatage des membranes.
Les écoulements gaz-liquide au sein des bassins d’aération de StaRRE peuvent être représentés à l’échelle pilote par des colonnes à bulles, étant donné que ces deux types de réacteurs peuvent fonctionner en régime de bulles homogène, avec des hauteurs d’eau et des gammes de rétention gazeuse comparables. Ainsi, le fait d’utiliser une colonne à bulles de forte hauteur (plusieurs mètres) permet de reproduire une hauteur d’eau et un temps de contact gaz-liquide existant dans les bassins d’aération (Baeten et al., 2020; Durán et al., 2016; Gillot and Héduit, 2008). De la même manière, le débit d’aération peut être fixé de sorte à obtenir des valeurs de vitesses superficielles de gaz et de rétention gazeuse similaires à celles des bassins d’aération (Amaral et al., 2018; Durán et al., 2016; Shah et al., 1982).
Hydrodynamique et transfert gaz-liquide en colonnes à bulles à faible rétention gazeuse
Définitions générales
Cette partie est consacrée aux caractéristiques des dispersions gaz/liquide dans les dispositifs de type colonne à bulles. Les colonnes à bulles sont largement utilisées dans les procédés mettant en œuvre des phénomènes de transfert gaz/liquide, du fait de leurs valeurs d’aires interfaciales élevées (Bouaifi et al., 2001; Shah et al., 1982).
Vitesse superficielle de gaz/liquide
Dans une colonne à bulles, un débit de gaz (et éventuellement un débit de liquide) est appliqué en entrée. La vitesse superficielle de gaz (respectivement de liquide), également appelée vitesse débitante .
Régime de bulles homogène et hétérogène
A basse vitesse superficielle de gaz et faible rétention gazeuse, le régime de bulle est dit homogène : les bulles ont peu d’interactions entre elles, il y a peu de coalescence et de rupture de bulles, la distribution en taille des bulles est homogène (peu de dispersion), et la rétention gazeuse est uniformément répartie dans la section de la colonne (Raimundo, 2015).
Dans le cas d’un régime hétérogène, la vitesse superficielle de gaz et la rétention gazeuse sont plus importantes, il existe de la coalescence, et on observe une distribution de taille de bulles plus large. Certaines bulles peuvent s’éloigner de la forme sphérique et être de taille plus importante, et la rétention gazeuse est répartie de manière moins uniforme. Il existe un régime de transition entre les régimes homogène et hétérogène. Pour une colonne à bulles avec un système air eau, (Zahradník et al., 1997) ont observé l’apparition du régime de transition à une vitesse superficielle de gaz de 0,04 m s-1 . Ceci est en accord avec les travaux de Mudde et al., (2009) qui ont déterminé, pour une colonne à bulles air/eau avec un diffuseur fines bulles, que la gamme de vitesse superficielle de gaz à partir de laquelle le régime de transition débute s’étale de 0,04 à 0,08 m s-1 . En-dessous de cette gamme, le régime homogène avec peu de coalescence peut être maintenu. Dans les bassins d’aération de StaRRE, les vitesses superficielles de gaz sont généralement comprises entre 0,002 et 0,006 m s-1 (Gillot et al., 2005), ce qui permet d’assurer que le régime est bien homogène, avec une rétention gazeuse faible (inférieure à 5%) et donc peu de coalescence. Toutefois, les conditions physico-chimiques ou les zones d’accumulation locales de bulles peuvent contribuer à créer de la coalescence dans ces conditions particulières, mais la probabilité d’observer de la coalescence en eau claire reste faible si la distribution du gaz est contrôlée.
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Table des matières
Introduction
Chapitre 1 : Eléments bibliographiques
1.1 Procédé de traitement par boues activées
1.2 Hydrodynamique et transfert gaz-liquide en colonnes à bulles à faible rétention gazeuse
1.2.1 Définitions générales
1.2.2 Régime de bulles homogène et hétérogène
1.2.3 Impact des propriétés des fluides sur l’hydrodynamique
1.2.4 Impact du diffuseur de bulles sur l’hydrodynamique
1.2.5 Impact de la hauteur de liquide sur l’hydrodynamique et le transfert de matière
1.2.6 Modélisation 1D des écoulements et du transfert gaz-liquide
1.3 Mécanismes de transfert gaz liquide
1.3.1 Loi de Fick et modèle du double film
1.3.2 Aire interfaciale spécifique (a)
1.3.3 Coefficient de transfert de matière côté liquide kL
1.3.4 Coefficient de transfert global KLa : paramètres impactant le kL et le a, effets de contamination et facteur alpha
1.3.5 Angle de contamination
1.4 Eléments de rhéologie
1.4.1 Définitions
1.4.2 Cas d’un fluide newtonien
1.4.3 Cas d’un fluide non-newtonien
1.4.4 Mesure de la rhéologie
1.4.5 Comportement rhéologique des boues activées
1.4.6 Impact de la rhéologie sur le transfert de matière
1.4.7 Fluides modèles visqueux
1.4.8 Estimation du taux de cisaillement en réacteur aéré et en colonne à bulles
1.5 Conclusions et positionnement des travaux de thèse
Chapitre 2 : Matériel et méthodes
2.1 Dispositif expérimental
2.1.1 Colonne à bulles et diffuseurs utilisés
2.1.2 Equipements associés
2.2 Mesure des paramètres caractéristiques de l’hydrodynamique et du transfert d’oxygène
2.2.1 Mesure de la rétention gazeuse
2.2.2 Mesure de la taille des bulles et détermination des paramètres associés : excentricité et diamètres équivalents de bulles
2.2.3 Détermination de l’aire interfaciale spécifique des bulles (a)
2.2.4 Mesure du coefficient de transfert d’oxygène global KLa
2.2.5 Détermination du coefficient de transfert de matière côté liquide KL
2.3 Fluides modèles utilisés
2.3.1 Types de fluides et méthodes de préparation associées
2.3.2 Caractérisation des propriétés physico-chimiques des fluides
2.4 Présentation des outils de modélisation 1D développés
2.5 Conclusion sur le Matériel et Méthodes
Chapitre 3 : Développement et validation d’un modèle 1D global pour la simulation de la rétention gazeuse et du transfert gaz/liquide dans des colonnes à bulles air/eau de forte hauteur
3.1 Introduction
3.2 Material and methods
3.2.1 Experimental datasets
3.2.2 Two-Phase One-Dimensional Model
3.3 Results and discussion
3.3.1 Hydrodynamic characterization of the datasets studied
3.3.2 Mass transfer results
3.4 Conclusions
3.5 Acknowledgments
3.6 References
Chapitre 4 : Hydrodynamique et transfert d’oxygène dans une colonne à bulles à faible rétention gazeuse : Impact des propriétés des fluides et des conditions opératoires
4.1 Propriétés physico-chimiques des fluides utilisés
4.1.1 Comportement rhéologique
4.1.2 Tension superficielle statique
4.1.3 Tension superficielle dynamique
4.2 Impact du système de diffusion de bulles et des propriétés des fluides sur les paramètres caractéristiques de l’hydrodynamique et du transfert gaz liquide
4.2.1 Rétention gazeuse
4.2.2 Rétention gazeuse locale
4.2.3 Rétention gazeuse globale εG
4.2.4 Diamètre des bulles d’air
4.2.5 Aire interfaciale spécifique des bulles (a)
4.2.6 Coefficient de transfert d’oxygène global KLa
4.2.7 Coefficient de transfert de matière apparent côté liquide KL
4.2.8 Nombre de transfert
4.2.9 Facteur alpha
4.3 Conclusions
Conclusion
