Épuration en eaux courantes : évaluation et modélisation de la capacité d'oxygénation dans les cascades et les chutes d'eau

Purification in running water : evaluation and modeling of oxygenation capacity of stepped cascades and waterfalls

• Auteur / Autrice : Hatem Khdhiri
• Direction : Olivier Potier, Jean-Pierre Leclerc
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés et des produits
• Date : Soutenance le 03/12/2014
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : RP2E - Ecole Doctorale Sciences et Ingénierie des Ressources, Procédés, Produits, Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire réactions et génie des procédés
• Jury : Président / Présidente : Inoussa Zongo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Breil, Joachim Hansen
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Caroline Gentric, Etienne Paul

Mots clés

Mots clés contrôlés

Eau -- Teneur en oxygène

Chutes d'eau

Eau -- Aération

Cours d'eau -- Auto-épuration

Mots clés libres

Autoépuration

Aération

MFN

Traçage

Cascade en marches d’escalier

Chute d’eau

Self-Purification

Aeration

CFD

Tracer

Stepped cascade

Waterfall

Résumé

Ce travail s’inscrit dans le cadre global de la restauration des cours d’eau pollués par une intensification des mécanismes d’autoépuration, en particulier la dégradation de la matière organique et de l’azote. L’objectif principal de cette étude est d’évaluer et modéliser la capacité de transfert d’oxygène air-eau par les principaux ouvrages hydrauliques à savoir les cascades en marches d’escalier et les chutes d’eau. Les expériences d’aération menées dans un pilote de laboratoire modulable, servant à la fois de cascade et de chute d’eau, ont permis d’évaluer le potentiel d’aération de ces structures, ainsi que d’étudier les effets des paramètres géométriques et opératoires. En première approche, une corrélation semi-empirique globale de calcul d’efficacité d’aération dans les cascades, avec un large spectre de validité, a été élaborée, en fonction du débit, nombre de marches et pente de la cascade, sur la base de nos mesures expérimentales et des données collectées dans les publications. La même démarche a été suivie pour élaborer une corrélation semi-empirique permettant une estimation de l’efficacité d’aération dans les chutes d’eau en fonction de la hauteur de chute, le niveau d’eau en aval et le débit d’écoulement. Afin de rendre compte des caractéristiques du phénomène de transfert dans les cascades d’eau (aire interfaciale d’échange air-eau et volume d’eau), des expériences de traçage ont été associées aux expériences d’aération ce qui a permis de mesurer le volume d’eau et de corréler le coefficient de transfert volumique d’oxygène kLa avec les différents paramètres intervenant dans les mécanismes d’aération. L’aire spécifique interfaciale a été simulée numériquement via l’approche VOF en fonction des conditions opératoires et géométriques. Une équation prédictive de calcul du coefficient de transfert du film liquide kL en fonction des paramètres d’influence a été obtenue à l’issu de l’ensemble des simulations et des mesures d’aération expérimentales

This work represents a part of polluted watercourses restoration by intensification of self-purification mechanisms essentially the degradation of organic matter and nitrogen. The main objective is to evaluate and model the air-water oxygen transfer by major hydraulic structures, namely stepped cascades and waterfalls. Aeration experiments conducted in a geometrically adjustable laboratory pilot, serving as stepped cascade and waterfall were used to assess the aeration potential of these structures as well as to study the geometrical an operating parameters effects. In a first approach, a global semi-empirical correlation for aeration efficiency calculation in stepped cascades, valid for a wide range of parameters, was developed, depending on water discharge, number of steps and chute slope, basing on our experimental measurements and data collected in publications. The same procedure was followed for developing a semi-empirical correlation to estimate the aeration efficiency of waterfalls in terms of the chute height, downstream water level and flowrate. In order to take into account the oxygen transfer phenomenon characteristics in stepped cascade (water volume and air-water exchange interfacial area), tracer experiments were associated with aeration experiments to allow measuring water volume and correlating the volume oxygen transfer coefficient kLa with the various parameters involved in the aeration mechanism. The interfacial specific area was numerically simulated using VOF approach depending on operating and geometrical parameters. A predictive equation for liquid film transfer coefficient kL calculation based on the parameters of influence was issued from both the simulations and experimental aeration measures