Complémentarité des propriétés électriques et rhéologiques pour une caractérisation des boues résiduaires

Complementarity between electrical and rheological properties for sewage sludge characterisation

• Auteur / Autrice : Christophe Segalen
• Direction : Jean-Christophe Baudez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés
• Date : Soutenance le 15/12/2014
• Etablissement(s) : Clermont-Ferrand 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture (France ; 2012-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture. Technologies et systèmes d’information pour les agrosystèmes - Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture - IRSTEA
• Jury : Président / Présidente : Christelle Wisniewski
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Christophe Baudez, Aurélie Talon, Pierre Buffière, Emilie Dieudé-Fauvel, Christian Carrot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alain Ponton, Jean-Michel Roger

Mots clés

Mots clés contrôlés

Eaux usées

Boues d'épuration

Mots clés libres

Boues résiduaires

Mesures couplées

Spectroscopie d’impédance électrique

Rhéologie

Température

Structure

Siccité

Sewage sludge

Combined measurements

Electrical impedance spectroscopy

Rheology

Temperature

Structure

Solid content

Résumé

La gestion durable des boues résiduaires est l'un des grands enjeux du 21ème siècle. Si toutes les eaux usées produites par la population urbaine mondiale étaient traitées, ce qui est l’objectif ultime de l’OMS, 83 millions de tonnes de matières sèches seraient produites annuellement à l’horizon 2017. Pour réduire les coûts du traitement et de la valorisation des boues qui représentent la moitié de la facture de l’assainissement collectif, l’optimisation des procédés est nécessaire. Les ingénieurs ont donc besoin d’outils permettant d’adapter le fonctionnement des technologies de traitement aux caractéristiques des matériaux. Concrètement, les technologues ont besoin de connaître ou d’estimer le comportement en écoulement des boues, c’est-à-dire leurs propriétés rhéologiques, à chaque étape du traitement. Celles-ci ne pouvant être déterminées en continu, l’objectif de cette thèse est de démontrer la faisabilité d’utilisation des propriétés électriques pour prédire les écoulements des boues. Au cours de ce travail de thèse, les comportements rhéologique et électrique d’une boue type ont été établis : ainsi les propriétés d’écoulement d’une boue résiduaire peuvent être décrites par un modèle d’Herschel-Bulkley modifié (de façon à prendre en compte les cisaillements très élevés) tandis que sa signature électrique pourra être représentée par un circuit équivalent de Maxwell. L’impact de paramètres majeurs comme la température et la teneur en matières sèches sur les propriétés rhéologiques et électriques des boues et sur leur corrélation a été étudié. Les résultats obtenus nous ont également permis de montrer comment la structure du matériau est liée à ces caractéristiques. Enfin, des outils spécifiques ont été mis au point, pour la mesure simultanée des propriétés électriques et rhéologiques des fluides organiques complexes. L’ensemble des résultats obtenus ouvre de nombreuses perspectives, opérationnelles et fondamentales.

Sludge management is one of the 21st century’s main issues. If the whole wastewater produced by worldwide urban population was treated, which is the ultimate goal of WHO, 83 million tons of dry matter could be annually produced until 2017. In order to reduce the costs of sludge treatment and reuse, which represent half of the collective sanitation bill, process optimization is needed. Engineers are in need of tools allowing them to adapt treatment technologies to material characteristics. More specifically, technologists need to know or to estimate sludge flow behavior, i.e. their rheological properties, at each step of the process. However, these properties can’t be continuously acquired. The purpose of this thesis is then to demonstrate the feasibility of the usage of sludge electrical properties to predict their flow. During this work, rheological and electrical behavior of one sludge type had been established: so flow properties of sludge can be described by means of a modified Herschel-Bulkley model (so that high shear rates are taken into account), whereas electrical properties can be represented by Maxwell’s equivalent circuit. Major parameters impacts, as temperature and dry matter content on sludge rheological and electrical properties and their correlation have been studied. The results we obtained allowed us to highlight the way the structure of the material is related to these properties. Finally, specific tools have been developed for simultaneous measurement of rheological and electrical properties of complex organic fluids. All the obtained results open many operational and fundamental prospects.