Comparaison des approches systémique, mécanique des fluides numérique et compartimentale pour la modélisation des réacteurs : application à un réacteur canal à boues activées

Comparison between systemic, computational fluids dynamic and compartmental approaches for reactor modelling : application to an activated sludge wastewater treatment channel reactor

• Auteur / Autrice : Yann Le Moullec
• Direction : Jean-Pierre Leclerc, Olivier Potier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés et des produits
• Date : Soutenance le 29/10/2008
• Etablissement(s) : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL
• Ecole(s) doctorale(s) : RP2E - Ecole Doctorale Sciences et Ingénierie des Ressources, Procédés, Produits, Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences du génie chimique (Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Claude Charpentier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Pierre Leclerc, Olivier Potier, Jean-Claude Charpentier, Alain Line, Christophe Dagot, Jean-Marc Schweitzer, Daniel Schweich, Caroline Gentric
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Alain Line, Christophe Dagot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Eaux usées -- Épuration -- Procédé des boues activées

Mots clés libres

Traitement des eaux

Approche à compartiment

Mécanique des fluides numérique

Modélisation

Wastewater treatment

Compartmental approach

Computational fluids dynamic

Modelling

Résumé

L'objectif de ce travail est de comparer les approches systémique, mécanique des fluides numérique (MFN) et compartimentale, une approche de modélisation en émergence basée sur l'exploitation quantitative de simulations de MFN pour construire le modèle. Une méthodologie de construction d'un tel modèle à compartiments est explicitée. Ces différentes approches de modélisation ont été appliquées au cas d'un réacteur pilote de traitement des eaux usées à boues activées : un réacteur triphasique (gaz/liquide/flocs), siège de réactions biologiques complexes. Le modèle hydrodynamique MFN a été validé par des mesures de champs de vitesse et de turbulence, réalisées par Vélocimétrie Laser Doppler ainsi que par des mesures de taux de vide réalisées à l'aide d'une sonde optique. L'hydrodynamique globale du réacteur est bien modélisée par un modèle piston à dispersion axiale et la MFN représente bien le comportement du réacteur. Des expériences sur réacteur pilote chargé en biomasse et alimenté par un substrat synthétique à base de Viandox ont été menées. La modélisation des réactions biologiques a été faite par le modèle ASM1 développé par l'IWA. Les modèles systémique et MFN permettent d'estimer l'évolution de la plupart des concentrations dans le réacteur avec moins de 25 % d'erreur. Des différences entre les deux modèles sont néanmoins observées. Il s'avère que le modèle à compartiment donne des résultats très similaires au modèle MFN pour un temps de calcul de 10 à 20 fois moindre. De plus ce modèle est presque aussi facile à manipuler qu'un modèle systémique et permet une meilleure compréhension des phénomènes mis en jeu dans le réacteur qu'avec un modèle MFN

The purpose of this work is the comparison of the systemic, computational fluid dynamics (CFD) and compartmental approaches. This last approach is a new method of model construction based on the quantitative results of a CFD simulation. A methodology to build such a model is described. These three modelisation approaches have been used to model a bench scale activated sludge wastewater treatment reactor : a complex biological tree-phase reactor (gas/liquid/floc). The CFD modelling has been validated with velocity and turbulence fields, obtained with laser doppler velocimétry and with void fraction measurements obtained with an optical probe. The global hydrodynamics of the reactor is well represented by a plug flow model with axial dispersion. This behaviour is well represented by CFD simulation of residence time distribution. Experiments on the bench scale activated sludge reactor fed with a synthetic substrate primarily composed of Viandox have been carried out. Biological reactions have been modelled by the ASM1 model developped by IWA. Evolution of almost all the concentrations along the reactor are simulated with a maximum error of 25 \% with systemic and CFD models. Some differences are highlighted between these two models. The compartmental model gives almost the same results as the CFD model with a calculation time from 10 to 20 times shorter. Moreover this compartment model is as easy to handle as the sytemic model and allows a better understanding of the phenomena which take place in the reactor than the CFD model