Compréhension des facteurs de contrôle des performances de la déshydratation mécanique des boues résiduaires en filtre-presse

Control factors of the efficiency of mechanical dewatering of sewage sludge in press-filters

• Auteur / Autrice : Julian Tosoni
• Direction : Jean-Christophe Baudez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés
• Date : Soutenance le 14/12/2015
• Etablissement(s) : Clermont-Ferrand 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme) - Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture (France ; 2012-2019)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Vial
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Christophe Baudez, Sylvie Gillot, Romain Girault
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Michel Baudu, Patricia Arlabosse

Mots clés

Mots clés contrôlés

Eau -- Épuration -- Filtration

Boues d'épuration

Mots clés libres

Déshydratation

Filtre-presse

Cellule de filtration tangentielle

Boue résiduaire

Dewatering

Filter press

Cross-flow filtration

Sludge

Anaerobic digestion

Résumé

Dans un contexte d’augmentation des volumes de boues résiduaires produits, comprendre et optimiser les processus de déshydratation mécanique est crucial. Leurs performances conditionnent tant le fonctionnement global de la station que son bilan environnemental et économique. En effet, la siccité des boues déshydratées impacte fortement les procédés ou filières permettant leur valorisation à l’échelle des territoires (compostage, valorisation agronomique directe, incinération, …) ainsi que leur bilan environnemental direct et indirect (tonnages à transporter, ...). De plus, les filtrats devront être traités par la station, et leur composition influence significativement le fonctionnement de la filière de traitement des eaux. Les filtres-presses font partie des procédés de déshydratation mécanique les plus utilisés dans les filières boues des stations d’épuration des eaux usées. Leurs performances sont fonction à la fois de leurs paramètres de fonctionnement et des propriétés de la boue à déshydrater. Les connaissances actuelles sont cependant insuffisantes pour permettre (1) d’expliquer pourquoi certaines boues se déshydratent mieux que d’autres et (2) de relier ces phénomènes aux processus mis en oeuvre lors de la déshydratation mécanique. Le poste de déshydratation fonctionne ainsi comme une boîte noire à partir de laquelle il est difficile de prédire les performances d’un outil de déshydratation appliqué à une boue particulière et d’anticiper des dysfonctionnements. Dans ce contexte, l’objectif de ce travail de thèse était de comprendre quels sont les facteurs de contrôle des performances de la déshydratation mécanique des boues d’épuration en filtre-presse et comment ces derniers impactent le fonctionnement du procédé. Dans un premier temps, l’impact des paramètres de fonctionnement des filtres-presses sur leurs performances a été étudié en cellule de filtration tangentielle (cellule de laboratoire reproduisant les processus d’un filtre presse industriel). Ce travail a permis de hiérarchiser les paramètres opératoires selon leur impact sur les performances de déshydratation. Cette étude a permis de mettre en évidence que le paramètre le plus sensible est l’épaisseur de gâteau suivi de la pression. L’impact de ces paramètres est en partie lié à celui du gradient de pression sur les équations de la filtration même si ce dernier doit être considéré en 3D pour expliquer les résultats observés. Dans un second temps l’étude de l’impact des propriétés des boues sur les performances de déshydratation a été réalisée. Pour ce faire, ce travail s’est focalisé sur l’impact d’un des procédés qui modifie le plus les propriétés des boues : la digestion anaérobie. L’objectif de ce travail était d’identifier comment le temps de séjour hydraulique (TSH) appliqué dans le digesteur influence les propriétés physicochimiques des boues et les performances de déshydratation évaluées au travers d’essais de déshydratation en cellule de filtration tangentielle. Cette phase a permis de montrer que quand le TSH augmente de 0 à un TSHcritique, la déshydratabilité de la boue diminue. Au-delà de ce TSHcritique, cette dernière s’améliore sans pour autant atteindre celle de la boue brute. Ces phénomènes ont pu être reliés à une modification des équilibres osmotiques entre les flocs et le milieu interstitiel couplée à une modification de la matrice d’exopolymères solubles des flocs. Enfin, un modèle numérique permettant de simuler la déshydratation des boues résiduaires a été implémenté sous COMSOL multiphysics®. Au travers des processus modélisés, il prend en compte les principaux facteurs de contrôle des performances identifiés auparavant. Après ajustement des paramètres sur un unique essai de déshydratation à une pression donnée, le modèle permet de prédire la siccité du gâteau pour une pression comprise entre 3 et 15 bars.

As more and more sewage sludge are generated, understanding and optimization of mechanical dewatering processes is crucial. Their performances affect both plant management and its environmental and economic impacts. Indeed, dryness of dewatered sludge strongly impacts processes for agronomic and energetic recovery (composting, direct agricultural recycling, incineration ...) and their direct and indirect environmental impacts (volumes to transport...). In addition, the filtrates have to be treated by the wastewater treatment plant, and their composition significantly affects its operating. Filter presses are one of the most common mechanical dewatering processes operated for sludge treatment in wastewater treatment plant. Their performance depends on their operating parameters and sludge properties. However, current knowledge is insufficient (1) to explain why some sludges are easier or harder to dewater than others, and (2) to link these phenomena to processes that carry out during the mechanical dewatering. Hence, dewatering works like a black box from which it is difficult to predict the efficiency of a dewatering tool performed with a particular sludge and to anticipate operating problems. In this context, the objective of this thesis was to understand witch factors drive the efficiency of mechanical dewatering of sewage sludge in the filter press and how they impact the process. First, the impact of operating parameters of filter presses on their efficiency was investigated in cross-flow filtration cell (lab-scale cross-flow filtration cell reproducing processes that occur in an industrial filter press). This work allowed the classification of the operating parameters according to their impact on the dewatering performances. This study highlighted that the most sensitive parameter is the cake thickness followed by pressure. The impact of these parameters is partially linked with their influence on the pressure gradient even if it should be considered in 3D to explain the results. Secondly, the study of the impact of sludge properties on dewatering performances was carried out. In this thesis, this work focuses on the impact of one of the processes which modifies most significantly sludge properties: anaerobic digestion. The objective of this work was to identify how hydraulic retention time (HRT) in the digester affects physicochemical properties of sludge and dewatering performance. Results demonstrated that when the HRT increases from 0 to a critical HRT (HRTcritical), sludge dewaterability decreases. Beyond this HRTcritical, it increases without reaching cake dryness of the raw sludge. These phenomena could be linked to a change in osmotic balance between the flocs and the bulk solution, combined with a modification of the soluble exopolymer matrix of flocs. Finally, a numerical model, allowing the simulation of sludge dewatering was implemented with COMSOL multiphysics®. Equation system takes into account the main factors that affect performances previously identified. After parameter calibration on a single dewatering experiment at 8 bars, the model allows the prediction of cake dryness for any pressure between 3 and 15 bars.