Comportement rhéologique des boues activées : Mesures, modélisation et impact sur le transfert d'oxygène dans les bioréacteurs aérés

• Auteur / Autrice : Camilo Duran quintero
• Direction : Arnaud Cockx, Sylvie Gillot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 11/12/2015
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : Mécanique, Energétique, Génie Civil, Procédés
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés - Hydrosystèmes et Bioprocédés - Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés / LISBP - Hydrosystèmes et bioprocédés / UR HBAN
• Jury : Président / Présidente : Gilles Hebrard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Arnaud Cockx, Sylvie Gillot, Yannick Fayolle, Olivier Potier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Pierre Buffière, Christophe Vial

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrodynamique

Colonnes à bulles (réacteurs chimiques)

Rhéomètres

Rhéologie

Eaux usées -- Épuration -- Procédé des boues activées

Mots clés libres

Boues activées

Rhéologie

Rhéomètres tubulaire

Transfert d'oxygène

Colonne à bulles

Hydrodynamique

Activated sludge

Non-Newtonien fluid

Rheology

Tubular rheometer

Oxygen transfer

Hydrodynamics

Bubble column

Résumé

Le but principal de cette étude était d'évaluer et de mieux comprendre l'impact de la vitesse superficielle de gaz et des propriétés de boues activées (BA), sur leur comportement rhéologique et le transfert de l'oxygène dans des bioréacteurs.Tout d'abord, la rhéologie des BA a été évaluée à l'aide d'un rhéomètre tubulaire, conçu et construit dans ce travail. Des mesures rhéologiques ont été effectuées avec des BA provenant de cinq stations d'épuration (STEP) et avec des concentrations en MES comprises entre 2.3 et 10.2 g L-1. Selon ces résultats, la rhéologie des BA est significativement déterminée par la concentration en matière en suspension (MES) mais d'autres caractéristiques liées à leur origine, tel que la taille, la cohésion et la densité du floc, peuvent aussi influencer la viscosité apparente des boues. Basé sur les rheogrames expérimentaux, le modèle rhéologique issu de cette étude est comparé à des modèles rhéologiques existants.Deuxièmement, le transfert d'oxygène a été évalué dans une colonne à bulles (Hc=4.4 m, Dc=0.29m) installée dans deux STEP: une installation classique et un bioréacteur à membrane. La colonne, alternativement équipée d'un diffuseur fines ou grosses bulles (FB, GB), a été alimentée en continu avec des BA extraites du réacteur d'aération, ou de la boucle de recirculation ou du réacteur membranaire. Pour des MES comprises entre 3.0 et 10.4 g L-1, le coefficient kLa a étéplus faible dans les BA que dans l'eau propre et encore réduit avec une augmentation des MES. Cette diminution est en partie attribuable à la réduction observée de la rétention de gaz (εG), associée à une augmentation de la viscosité apparente des boues, celle-ci entrainant une réduction de l'aire interfaciale spécifique (a) due à la coalescence de bulles et à la formation de bulles plus grosses. Aussi, la concentration des tensioactifs non ioniques, a montré un effetnégatif sur le coefficient kLa lors des tests d'oxygénation effectués en aération FB et faibles concentrations en MES. Cet impact n'a pas été observé dans des conditions d'aération GB, ce qui a été expliqué par le taux de renouvellement d’interface plus élevé généré par ces dernières. Enfin, le taux de cisaillement moyen exercé par l'essaim de bulles dans la colonne pendant les tests d’oxygénation a été théoriquement évalué compte tenu des conditions d’opération. Par lasuite, des corrélations empiriques ont été construites en utilisant des nombres adimensionnels et expriment le coefficient kLa en fonction de la vitesse superficielle de gaz et la viscosité apparente, tout en considérant sa dépendance du taux de cisaillement. Enfin, le facteur alpha est défini comme une loi de puissance décroissante en fonction de la viscosité apparente, pour des systèmes à faible chargé.

The main purpose of this study was to evaluate and better understand the impact of superficial gas velocity and activated sludge properties,on activated sludge rheology and oxygen transfer in bioreactors. First of all, activated sludge rheology was evaluated using a tubular rheometer, designed and constructed in this work. Rheological measurements were performed with activated sludge from five different wastewater treatment plants and with MLSS concentrations between 2.3 and 10.2 g L-1. Results showed that although the sludge rheology is significantly defined by the MLSS concentration, other sludge characteristics related to the sludge orign, such as such as floc size, floc cohesiveness and floc density also influence the sludge apparent viscosity. Existing rheological models were evaluated on the set of obtained experimental flow curves. Besides, the oxygen transfer is evaluated in a bubble column (Hc=4.4, Dc=0.29 m) installed in two different wastewater treatment plants: a conventional activated sludge plant (CAS) and a membrane bioreactor (MBR). The column, alternatively equipped with a fine or a coarse bubble diffuser (FB, CB), was continuously fed with activated sludge extracted either from the aeration tank, the recirculation loop or the membrane reactor. With MLSS concentrations from 3.0 to 10.4 g L-1, the kkllaa coefficient was lower in activated sludge than in clean water and still reduced with an increase of the MLSS concentration. This reduction is partially attributed to the observed reduction of gas holdup (εεɢɢ), associated with an increase in the sludge apparent viscosity (µµαααααα), which leads to a reduction of the specific interfacial area (αα) due to bubble coalescence and the formation of larger bubbles. Besides, the concentration of non-ionic surfactants, exhibited a negative effect on the κκιιαα coefficient for the oxygenation tests performed under FB aeration conditions and low MLSS concentration. This impact was not observed under CB aeration conditions, which was explained by the higher renewal rates generated by coarse bubbles. Finally, the mean shear rate exerted by the bubble swarm in the column during the oxygen transfer tests was theoretically evaluated considering the operating conditions. Subsequently, empirical correlations were constructed using dimensionless numbers and express the oxygen transfer coefficient as a function of the superficial gas velocity and the apparent viscosity, considering its shear rate dependence. Finally, alpha factor is defined as a power law decreasing function of the apparent viscosity, for low loaded activated sludge systems.