Étude thermo-rhéologique de boues digérées : application à l’écoulement en conduite dans les procédés de méthanisation

Thermo-rheological study of digested sludge : application to pipe flow in anaerobic digestion processes

• Auteur / Autrice : Antoine Henri Etienne Charles
• Direction : Jean-Christophe Baudez, Thierry Ribeiro
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 04/12/2023
• Etablissement(s) : Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Lille Douai
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre for Energy and Environment / CERI EE - IMT Nord Europe
• Jury : Président / Présidente : Chérif Nouar
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Seyed Amir Bahrani, André Pauss, Vincent Terrapon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patricia Arlabosse, Annie Colin

Mots clés

Mots clés libres

Boues digérées

Thermo-Rhéologie

Conduite cylindrique

Fluides complexes

Contrôle de l’écoulement

Intermittence

Digested sludges

Thermo-rheology

Cylindrical pipe

Complex fluids

Flow control

Intermittency

Résumé

Le besoin en traitement des eaux usées par la société est assurée en usine d’épuration par des traitements menant à la production de boues. Afin d’anticiper l’augmentation de ce besoin à l’avenir, les filières de traitement de ces boues doivent atteindre une certaine efficacité, en termes de traitement et de valorisation des boues. Parmi ces filières, le procédé de méthanisation permet de réduire significativement le volume des boues générées et permet par la suite une valorisation agronomique et énergétique, sous forme de digestat, de biogaz, d’électricité ou de chaleur. Il est néanmoins limité par un contrôle inefficace du transport des boues digérées en son sein, du fait de la méconnaissance de la thermo-rhéologie, en termes de connaissances et de méthodes de caractérisation et en termes d’hydrodynamique en conduite de ces boues très diverses. Cela se manifeste opérationnellement, en aval de la phase de dimensionnement et de conception, lors de l’opération par des pompages inefficaces, des hétérogénéités de la matrice ou des colmatages de composants.C’est dans cette optique d’apport des éléments scientifiques, de la caractérisation thermo-rhéologique des boues digérées d’une part et de la mise en évidence de l’hydrodynamique en conduite de ces fluides d’autre part, que le travail de recherche mené dans le cadre de cette thèse s’inscrit.Premièrement, des protocoles dédiés à caractériser spécifiquement chaque comportement non-newtonien sont établis pour cela. L’application de ces protocoles, au centre de recherche Energie Environnement de l’IMT Nord Europe et sur la plateforme Caractérisation du partenaire industriel, montre que les caractéristiques thermo-rhéologiques des boues digérées sont fidèlement modélisées par un modèle d’Herschel-Bulkley non modifié. En effet, la contrainte seuil et la rhéofluidification sont significativement pré-pondérantes devant les autres caractéristiques thermo-rhéologiques de thixotropie, de visco-élasticité et de thermo-dépendance. Le phénomène physique non anticipé de glissement aux parois est observé sur ces boues digérées, menant à une hydrodynamique hétérogène de l’écoulement en conduite de faible inertie et de faible rugosité des parois.Deuxièmement, un dispositif expérimental dédié à l’étude de l’écoulement en conduite de tels fluides est mis en place en vue de déterminer leurs comportements hydrodynamiques. Il permet de démontrer, à l’aide de fluides de travail (solution s de Carbopol), que ces fluides suivent une transition rhéo-inertielles (RIT) vers la turbulence. Cette transition se distingue par l’existence d’un régime de pré-transition, inexistant pour un fluide newtonien, au sein duquel l’écoulement présente une asymétrie, qui est observée par visualisation directe. Ces visualisations, couplées à la mesure des pertes de charges, permettent de quantifier l’intermittence de la RIT à partir des structures turbulents visualisées. Cela permet de contrôler le mouvement de tels fluides par la connaissance de la stabilisation de leurs écoulements et de l’augmentation du temps de séjour des structures turbulentes, du fait des caractéristiques non-newtoniennes (sans visco-élasticité).Ainsi, ce manuscrit synthétise les éléments scientifiques développés dans le cadre de cette thèse pour répondre aux problématiques opérationnelles rencontrées. Les verrous découlant du mande de connaissances fondamentales de la thermo-rhéologie et de l’hydrodynamique des boues qui y circule, l’étude axe sa recherche sur ces deux domaines pour apporter les fondamentaux qui pourront permettre l’amélioration de la maîtrise du transport des boues au sein du procédé de méthanisation en usine d’épuration.

The society’s wastewater treatment needs are met by waste water treatment plants that produce sludges. In order to anticipate the increase in this requirement in the future, the sludge treatment processes must achieve a certain level of efficiency in terms of sludge treatment and recovery. The anaerobic digestion process significantly reduces the volume of sludge generated and can the be used for agricultural and energy purposes, in the form of digestate, biogas, electricity or heat. It is nevertheless limited by ineffective control of the transport of digested sludge within it, due to a lack of knowledge of thermo-rheology, in terms of understanding and characterisation methods, and of the hydrodynamics involved in handling these very diverse sludges. This manifests itself operationally, downstream of the sizing and design phase, in inefficient pumping, matrix heterogeneity or component clogging.It is in this context of providing scientific elements, on the one hand of the therm-rheological characerisation of digested sludge and on the other hand of the demonstration of the hydrodynamics of these fluids in operation, that the research work carried out within the framework of this thesis falls within the scope of.Firstly, protocols dedicated to the specific characterisation of each non-Newtonian behaviour have been established. The application of these protocols, at the ITM Nord Europe – Energy Environment research centre and on the industrial partner’s Characterisation plateform, shows that the thermo-rheological characteristics of digested sludge are accurately modelled by a non-modified Herschel-Bulkley model. Yield stress and shear-thinning are significantly more important than the other thermo-rheological characteristics of thixotropy, viscoelasticity and thermo-dependence. The unanticipated physical phenomon of wall slip is observed in these digested sludges, leading to heterogeneous flow hydrodynamics under conditions of low inertia and loaw wall roughness.Secondly, an experimental set-up dedicated to studying the flow of such fluids in pipe is being set up, with a visualisation to determining their hydrodynamic behaviour. Using working fluids (Carbopol solutions), it was demonstrated that these fluids undergo a rheo-inertial transition (RIT) towards turbulence. This transition is characterised by the existence of a pre-transition regime, non-existent for a Newtonian fluid, within which the flow exibits an asymmetry, which is observed by direct visualisation. These visualisations, coupled with the measurement of pressure drops, also make it possible to quantify the intermittency of the RIT on the basis of the turbulent structures visualised. This makes it possible to control the movement of such fluids through knowledge of the stabilisation of their flows and the increase in the residence time of turbulent structures, due to the non-Newtonian characteristics without viscoelasticity.Thus, this thesis manuscipt summarises the scientific elements developed within the framework of this thesis to respond to the problems of the operational obstacles encountered. As these problems stem from a lack of fundamental knowledge of the thermo-rheology and hydrodynamics of the sludge that flows through it, the study focuses its research on these two areas in order to provide the fundamentals that will make it possible to improve the control of sludge transport within the anaerobic digestion process in wastewater treatment plants.