Modélisation des décanteurs secondaires : étude en mécanique des fluides numériques de la dynamique de la sédimentation des boues activées

Secondary settling tanks modeling : study of the dynamics of activated sludge sedimentation by computational fluids dynamics

• Auteur / Autrice : Maria Elena Valle Medina
• Direction : Julien Laurent
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 25/11/2019
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie (Strasbourg ; 2013-....)
• Jury : Président / Présidente : Arnaud Cockx
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julien Laurent, Arnaud Cockx, Gislain Lipeme Kouyi, Sergio Chica Vicent, Isabelle Charpentier, Elena Torfs
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Arnaud Cockx, Gislain Lipeme Kouyi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Eaux usées -- Épuration -- Procédé des boues activées

Modélisation CFD

Analyse par sédimentation

Mots clés libres

Décanteurs secondaires

Mécanique des fluides numérique

Compression

Comportement dynamique des décanteurs

Vitesse de sédimentation des particules

OpenFOAM

Dakota

Secondary clarifiers

Computational Fluids Dynamics

Compression

Dynamic behavior of clarifier

Small WRRF

Particle settling velocity

OpenFOAM

Dakota

Sedimentadores secundarios

Mecánica de fluidos computacional

Compresión

Comportamiento dinámico de sedimentadores

Velocidad de sedimentación de partículas

OpenFOAM

DAKOTA

Résumé

Le procédé à boues activées conventionnel est le plus utilisé pour traiter les eaux usées urbaines. La biomasse (boues activées) croît et forme des flocs biologiques qui doivent être séparés de l'eau traitée. Cette opération s'effectue généralement par gravité dans un clarificateur. Les particules de boues activées sont sujettes à différents comportements de décantation, selon leurs propriétés. La simulation des clarificateurs est probablement le domaine d'application le plus développé de la mécanique des fluides numérique appliquée au traitement des eaux usées. Cependant, l’ensemble des mécanismes de sédimentation ne sont pas toujours représentés de manière complète. Le présent travail a consisté dans un premier temps en l’ajout du mécanisme de compression en tant que terme de second ordre dans l'équation différentielle aux dérivées partielles décrivant la sédimentation de la boue. Les paramètres du modèle ainsi modifié ont fait l’objet d’une identification basée sur des données expérimentales acquises en système fermé. Ensuite, des simulations d’un clarificateur à taille réelle ont permis de valider le modèle sur la base des hauteurs de voiles de boues mesurées et des profils de vitesse des particules. Les petites installations de traitement sont caractérisées par des conditions d’entrée très dynamiques (variations de débits, cycles de marche/arrêt). Ainsi, le modèle validé a été utilisé pour simuler ces conditions particulières de fonctionnement.

The conventional activated sludge process is the most widely used process for treating urban wastewater. Biomass (activated sludge) grows and forms biological flocs that must be separated from the treated water. This is usually performed by gravity in a clarifier. Activated sludge particles are subject to different settling processes, depending on their properties. Clarifier simulation is probably the most developed field of application for computational fluid dynamics applied to wastewater treatment. However, all sedimentation mechanisms are not always fully represented. This work began by adding the compression mechanism as a second-order term in the partial differential equation describing sludge sedimentation. The parameters of the modified model were identified based on experimental data from a closed system. Then, simulations of a full-scale clarifier allowed the model to be validated based on the measured sludge blanket height and particle velocity profiles. Small treatment plants are characterized by very dynamic inlet conditions (flow variations, on/off cycles). Thus, the validated model was used to simulate these operating conditions.

El proceso de lodos activados convencional para el tratamiento del agua residual es el más usado para remover los contaminantes del agua residual urbana. La biomasa (lodo activado) crece y forma flocs biológicos que deben ser separados del agua tratada. Normalmente esta acción se realiza por medio de la gravedad en un sedimentador. Las partículas de lodo activado pueden someterse a diferentes comportamientos de sedimentación dependiendo de sus propiedades. La simulación de los clarificadores secundarios es probablemente el área más desarrollada para la aplicación de la mecánica de fluidos computacional en el tratamiento del agua residual. Sin embargo, no todos los mecanismos de sedimentación están siempre representados en un modelo. Este trabajo presenta la adición de la compresión como un término de segundo orden en una ecuación diferencial parcial que describe la sedimentación del lodo. La identificación de los parámetros del modelo se realizó a través de experimentos realizados en un sistema cerrado. Luego, simulaciones en un clarificador a escala real permitieron validar el modelo basándose en la medición de la altura del manto de lodos y los perfiles de velocidad de las partículas. Estaciones depurados de pequeña capacidad se caracterizan por una dinámica discontinua de las condiciones de entrada (variaciones en el caudal, ciclos de encendido/apagado). Así el modelo validado se usó para simular estas condiciones operacionales.