Study of vertical flow treatment wetlands by X-ray tomography

par German Dario Martinez Carvajal

Thèse de doctorat en Génie des procédés

Sous la direction de Pascal Molle et de Laurent Oxarango.

Soutenue le 04-02-2020

à Lyon , dans le cadre de École Doctorale de Chimie (Lyon) , en partenariat avec Université Claude Bernard (Lyon) (établissement opérateur d’inscription) et de Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture (France) (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Etude des filtres plantés de roseaux par la tomographie à rayons X


  • Résumé

    L'encrassement et le colmatage font partie des principales difficultés rencontrées dans l’exploitation des Filtres Plantés de Roseaux (FPR) et sont même susceptibles d’en affecter les performances. Différentes techniques ont été mises au point pour en mesurer indirectement l’effet que ce soit au travers de grandeurs physiques (e.g. la réduction de la conductivité hydraulique), chimiques (e.g. la composition des matières encrassantes) ou biologiques (e.g. activité enzymatique) dans les filtres plantés de roseaux. Cependant, peu d’approches s’intéressent à la structure géométrique de l’espace poreux qui, de fait, contrôle les mécanismes de filtration des matières en suspension. Cette thèse introduit l’usage de la tomographie à rayons X comme technique d’imagerie pour l’étude des FPR. Cette technique est non-destructive et produit des images de la structure interne des filtres en 3 dimensions à une très grande résolution. Des images obtenues à partir d’échantillons prélevés sur des FPR ont permis de mettre en évidence la présence de trois phases: les vides, la matière encrassante et les graviers. Une méthodologie permettant d’extraire et de scanner les échantillons et de segmenter l’image afin d’en identifier les phases constituantes a été mis en place. Des méthodes de pointe en traitement d’image ont été utilisées pour estimer des propriétés à l’échelle du pore. La représentativité spatiale des images a été étudiée : (i) une étude du volume élémentaire représentatif pour la fraction volumique des phases préconise un diamètre minimal d’échantillon de 1.5 cm. Pour éviter la déformation des échantillons pendant leur extraction un diamètre minimal de 5 cm reste nécessaire, (ii) les propriétés à l’échelle du pore ont été comparées entre des échantillons extraits à différents emplacements dans une zone d’un FPR dans laquelle la distribution spatiale de la conductivité électrique a été trouvée homogène grâce à l’emploi d’un conductimètre électromagnétique. Les mesures à l’échelle du pore ont montré de fortes similarités. Enfin, la tomographie à rayons X a été utilisée pour suivre temporellement les modifications de la structure de la matrice poreuse d’échantillons issus d’un FPR au cours d’une expérience de séchage représentative d’une période de repos afin d’évaluer l’impact de cette dernière sur les phénomènes de colmatage et d’encrassement. Bien que le gradient d’évaporation mesuré ait été faible (2 mm/j), une réduction importante de l’épaisseur de la couche de dépôt a été observée (avec des chutes allant de 12 à 34% de la hauteur initiale). Des effets au sein du gravier ont également été remarqués et soulignent le rôle essentiel de la période de repos dans le maintien d’une macroporosité et la possibilité pour l’air de pénétrer dans la microporosité de la matière encrassante dans les FPR


  • Résumé

    Fouling and clogging are major concerns regarding Treatment Wetland (TW) operation and performances. Several techniques are currently used to assess these phenomena indirectly based on their relation with physical, chemical and biological parameters of TW (e.g. hydraulic conductivity, fouling material composition, and enzymatic activity respectively). Few of them focus on the geometrical structure of porous media, which is essential to understand the mechanisms governing solid filtration. This work presents the use of X-ray Computed Tomography (CT) as an imaging methodology to study French Vertical Flow Treatment Wetlands (VFTW). It is a non-destructive technique that produces 3D images of an object showing its inner structure at high resolution. Images from samples of French VFTW show the presence of three phases: voids, fouling material, and granular media (gravel). A methodology to extract, and scan the samples and segment the phases in the images is developed in this work. The use of state-of-the-art image processing algorithms to measure pore scale properties is demonstrated. The spatial representativity of pore scale measurements is assessed: (i) a 2D-Representative Elementary Volume (REV) of the volume fraction of the phases was determined. The assessment suggests that the sample diameter should be larger than 1.5 cm. To avoid significant shear stress during the sample extraction, the minimum recommended diameter is however 5 cm, (ii) pore scale properties were compared between samples extracted from different locations of a large region of a mature French VFTW, which was found to have homogeneous electrical conductivity by using a Frequency Domain Electromagnetic Method. Several similarities among the samples at the pore scale are highlighted. Finally X-ray CT was used to study the structural changes of porous media in French VFTW during the rest period and their influence on the fouling and clogging processes. Despite a limited evaporation rate (2 mm/d), a significant reduction of the deposit layer thickness that is formed above the filter has been observed (with values dropping by 12% to 34% of the initial values). Changes within the gravel filter were also noticed and account for the importance of the rest period to maintain a connected macropore network and to allow air to enter the microporosity of the fouling material in French VFTW


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