Effets de configuration et de conditions opératoires sur la réduction de turbidité dans un clarificateur à jet

Effects of configuration and operating conditions on turbidity removal of jet clarifier

• Auteur / Autrice : Ploypailin Romphophak
• Direction : Alain Liné, Pisut Painmanakul
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 16/11/2021
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA en cotutelle avec Chulalongkorn University
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : TBI - Toulouse Biotechnology Institute, Bio & Chemical Engineering - Toulouse Biotechnology Institute / TBI
• Jury : Président / Présidente : Sutha Khaodhiar
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Liné, Pisut Painmanakul, Julien Laurent, Seoktae Kang, Carole Coufort-Saudejaud, Arnaud Cockx
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Julien Laurent, Seoktae Kang

Mots clés

Mots clés contrôlés

Turbidité

Hydrodynamique

Mots clés libres

Clarificateur à jet

Hydrodynamique

Nombre de Camp

Distribution de la taille des flocs

Élimination de la turbidité

Jet clarifier

Hydrodynamics

Camp number

Floc size distribution

Turbidity removal

Résumé

Dans le cas du traitement des eaux, l’étape de flocculation consiste à agglomérer de fines particules solides en agrégats suffisaments grands et volumineux qui seront ensuite éliminés par sedimentation ou filtration. Parmi les différentes technologies existantes, le clarificateur à jet est considéré comme un système efficace et compact car il couple floculation et clarification en une seule unité. Pour la conception du mélange par jets, de nombreux travaux expérimentaux ont été réalisés et de nombreuses corrélations ont été proposées. Cependant, ces corrélations sont spécifiques à des cas particuliers, et, à ce jour, il n'y a pas de compréhension globale des phénomènes controlant la floculation.Afin d'évaluer les performances du clarificateur à jet pour l'élimination de la turbidité et afin de comprendre en particulier l'hydrodynamique et la floculation pour proposer les conditions de fonctionnement optimales et les critères de conception, trois configurations différentes des clarificateurs à jet continu sont étudiées. Le premier est un prototype de clarificateur à jet 3D étudié à deux échelles et mis en œuvre à l'usine de traitement d'eau de Samsen, en Thaïlande ; ces deux réacteurs ont été conçus pour étudier les performances et la distribution moyenne du temps de séjour (RTD) pour différents débits injectés. Les résultats n'ont indiqué aucun effet de la taille des réacteurs, et une réduction de la turbidité initiale (50 NTU) a été obtenue avec une efficacité d'environ 80 % dans des conditions optimales.De plus, afin de mieux comprendre les phénomènes locaux contrôlant l'efficacité du clarificateur à jet, un clarificateur à jet quasi-bidimensionnel (Q2D) a été conçu au TBI-INSA-Toulouse, (France) permettant l'application de métrologies optiques. Par conséquent, les mesures du champ de vitesse instantanée ont été effectuées au moyen de la vélocimétrie par image de particules (PIV). Le traitement des données expérimentales de PIV a mis en évidence une forte circulation induite par le jet dans la zone de floculation. A cet endroit, la plage de gradient de vitesse (G) est de 2 à 15 s-1 alors que le temps de séjour diminue de 4 à 1 heure. Sur la base de l'analyse hydrodynamique, le nombre de Camp (Gt) dans la zone de floculation est constant de l’ordre de 30 000 pour différents débits de jet (de 11L/h à 49L/h). On peut ainsi prévoir l'efficacité d'un tel clarificateur à jet. De plus, les mesures du nombre de flocs et de leurs distributions granulométriques ont été effectuées par ombroscopie suivie d’analyse d'images. Grâce à un couplage entre les différents résultats expérimentaux obtenus dans le clarificateur à jet Q2D, il a été possible d’expliquer l'évolution du nombre de flocs dans la zone de floculation. L'indépendance relative des distributions de taille des flocs au débit est discutée en considérant le nombre de Camp, ce qui peut expliquer l'efficacité du clarificateur à jet en termes de floculation.Finalement, des simulations numériques du pilote 3D utilisant le code Fluent de CFD ont montré des résultats encourageants qui sont présentés en fin de manuscript. Là encore, les échelles de temps caractéristiques et les gradients de vitesse ont été estimés et comparés aux données expérimentales.

In water treatment, flocculation creates large and weight flocs enough to be removed by the downstream processes of sedimentation and filtration. Among the various existing technologies, the jet clarifier is considered as an effective and compact system as it couples flocculation and clarification in a single unit. For the design of jet mixing, much experimental work has been done and many correlations have been proposed. However, these correlations are case specifics, and, to date, there is no comprehensive view for the flocculation aspect.In order to evaluate the performance of the jet clarifier for turbidity removal and understand hydrodynamics to propose the optimal operating conditions and design criteria, three different configurations of the continuous jet clarifiers are figured out. The first one is a prototype of a 3D jet clarifier studied at two scales and implemented at Samsen Water Treatment Plant, Thailand; these two reactors were designed to investigate the performance and mean Residence Time Distribution (RTD) for various injected flow rates. The results indicated no effect of reactor sizes, and a reduction of the initial turbidity (50 NTU) was achieved with an efficiency of approximately 80% under optimal conditions.Moreover, in order to better understand local phenomena controlling the efficiency of the jet clarifier, a Quasi-biDimensional (Q2D) jet clarifier was designed at the TBI-INSA-Toulouse, France allowing the application of optical metrological methods. Hence, measurements of instantaneous velocity field were performed by means of Particle Image Velocimetry (PIV). The processing of experimental PIV data highlighted a strong circulation induced by the jet in the flocculation zone. At this location, the range of velocity gradient (G) is 2 to 15 s-1 whereas the residence time decreases from 4 to 1 hour. Based on the hydrodynamic analysis, the Camp number (Gt) in the flocculation zone is shown to be constant at around 30,000 for different jet flow rates (from 11L/hr to 49L/hr). The efficiency of such the jet clarifier can thus be foreseen. Plus, measurements of the number of flocs and their size distributions were performed by means of shadowgraphy and image analysis. Thanks to a coupling between the different experimental results obtained in the Q2D jet clarifier, it was possible to relate the evolution of the number of flocs along the jet to the recirculation loop present in the flocculation zone. The relative independence of the floc size distributions on the flow rate is discussed in light of the Camp number, which can explain the efficiency of the jet clarifier in terms of flocculation.Finally, due to reactor design, the simulations using CFD code showing encouraging results were presented at the end of the manuscript. Here as well, characteristic time scales and velocity gradient were used to perform the first comparisons.