Modélisation du séchage solaire sous serre des boues de stations d'épuration urbaines

• Auteur / Autrice : Haoua Amadou
• Direction : Jean-Bernard Poulet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'ingénieur
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Strasbourg 1

Résumé

Système adapté pour les stations de petites et moyennes capacités de moins de 100. 000 EH, le séchage solaire s’est rapidement imposé comme une solution efficace de déshydratation des boues permettant de répondre aux attentes des collectivités dans le respect des contraintes réglementaires. Toutefois les règles de dimensionnement et de conception de ce procédé restent d’une part très empiriques, et d’autre part trop rudimentaires pour traduire la complexité des phénomènes physiques mis en jeu. Cette thèse s’inscrit donc dans une optique d’amélioration et d’optimisation des méthodes de dimensionnement et de conception du séchage solaire des boues, en mettant l’accent sur le développement et l’utilisation d’outils de simulation numérique. Après une présentation générale de la problématique des boues résiduaires urbaines en France et de celle du séchage solaire des boues, quelques notions essentielles à l’étude du séchage sont présentées dans le chapitre II. Après une revue des différents types d’eau que l’on trouve dans les boues, le concept d’isotherme de sorption est présenté. Les modes de transport d’eau pendant le séchage sont ensuite rappelés. La fin du chapitre se concentre sur la modélisation de la cinétique du séchage. Le développement d’un modèle numérique simulant le transfert d’eau de la boue lors du séchage solaire sous serre est abordé dans le chapitre III de ce travail. Une mise en équations des différents phénomènes complexes est effectuée. Le modèle développé est constitué de trois équations de bilan d’énergie et d’une de transfert de matière, couplées et non linéaires. Une approche de résolution numérique du problème est également présentée. L’ensemble des dispositifs expérimentaux et des méthodes utilisées tout au long de ce travail est décrit dans le chapitre IV. Basée principalement sur l’utilisation de deux types de modèles réduits (modèles I et II), placés dans une enceinte climatique, la méthode expérimentale fait appel à un plan d’expérience mené en deux étapes, de manière à mieux appréhender le couplage très complexe des différents transferts thermiques et massiques. Le chapitre V est consacré à la validation du modèle numérique. Le premier volet de ce chapitre expose les résultats expérimentaux des paramètres de la boue intervenant dans la modélisation. Des formulations semi-empiriques concernant ces grandeurs (isothermes de désorption et chaleur spécifique massique) ont été proposées. Dans le second volet, les résultats numériques sont confrontés à ceux des expériences. La comparaison s’est avérée souvent très satisfaisante, tant au niveau des transferts couplés de chaleur et de masse qu’au niveau de l’évaluation des vitesses de séchage. Néanmoins, plusieurs phénomènes échappant à la formulation macroscopique et mono dimensionnelle du code ont été évoqués pour expliquer certains écarts entre les simulations et le comportement observé. Le chapitre VI aborde la problématique de l’extrapolation du modèle développé à une installation à l’échelle réelle. La première étape est ainsi consacrée à coupler ce modèle à un générateur de données qui permet de reconstituer au pas horaire une journée climatique « type ». Enfin, quelques paramètres nécessaires à l’extrapolation sont évoqués. Le travail se termine par une conclusion rassemblant l’ensemble des résultats et par l’énoncé de perspectives qui pourraient constituer une suite intéressante à cette étude, notamment la prise en compte des variations spatiales et l’adaptation du modèle dans l’objectif du développement d’un outil de dimensionnement ou d’optimisation de sites industriels.

Solar drying method has quickly stood out as an effective solution for the dehydration of the sludge produced by waste water treatment plants built for less than 100. 000 pop. Eq. It allows small communities to fill up the lawful constraints. However the design rules of this process remain empirical and do not take in account the complexity of the involved physical phenomena. Thus, this thesis presents an improvement and an optimization of the design using numerical simulation tools. After a general presentation of the problems of urban residual sludge in France and those concerning solar drying of sludge, some essential concepts in the study of the drying are presented in chapter II. After a review of the various types of water that can be found in sludge, the concept of sorption isotherm is introduced. The ways of transport of water during the drying are then pointed out. The end of the chapter focuses on the modelling of the kinetics of drying. The development of a numerical model, simulating the transfer of sludge water during the solar drying under greenhouse, is described in chapter III. A setting of the equations of the various complex phenomena is carried out. The developed model consists in writing three equations of assessment of energy and one of transfer of matter, coupled and nonlinear. A numerical approach of resolution of the problem is also presented. Experimental devices and methods used throughout this work are described in chapter IV. Based mainly on the use of two types of small-scale models (model I and II), placed in a climatic chamber, the experimental method calls upon an experimental design carried out in two stages, so as to better apprehend the very complex coupling of the various thermal and mass transfers. Chapter V is devoted to the validation of the numerical model. The first part of this chapter exposes the experimental results of the parameters of sludge involved in modelling. Semi-empirical formulations concerning these sizes (isothermal of desorption and mass specific heat) were proposed. In the second part, the numerical results are compared with those of the experiments. The comparisons are often very satisfactory, as well for the transfers coupled of heat and mass as with the evaluation speeds of drying. Nevertheless, several phenomena escaping from the macroscopic and monodimensional formulation are mentioned to explain some differences between simulations and the observed behaviour. Chapter VI approaches the problems of the extrapolation of the developed model to an installation on a real scale. The first stage is devoted to couple this model with a generator of data, which makes it possible to reconstitute with a time step a climatic day "type". Finally, some parameters necessary to extrapolation are mentioned. This Work ends by a conclusion collecting all the results and the statement of prospects, which could constitute an interesting continuation with this study, in particular to take into account the space variations, and the adaptation of the model aiming the development of a tool of dimensioning or optimization of industrial site.