Aération pour le décolmatage dans les bioréacteurs à membranes immergées pour le traitement

241 Pages·2013·4.89 MB·French

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InstitutNationalPolytechniquedeToulouse(INPToulouse)
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GéniedesProcédésetdel'Environnement
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Etienne฀BRAAK
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LaboratoiredeGénieChimique,Toulouse
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MmeClaireALBASI,DirectricedeRecherche,CNRS
MmeMarionALLIET,MaîtredeConférences,INPT-ENSIACET
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MrPhilippeMOULIN,Professeur,Universitéd'Aix-Marseille
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MrMarcHÉRAN,MaîtredeConférences,UniversitéMontpellierII
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MrAlainLINÉ,Professeur(cid:1)(cid:69)(cid:70)(cid:84)(cid:1)(cid:54)(cid:79)(cid:74)(cid:87)(cid:70)(cid:83)(cid:84)(cid:74)(cid:85)(cid:207)(cid:84),INSAToulouse
MmeDominiqueANNE-ARCHARD,(cid:1)(cid:46)(cid:66)(cid:212)(cid:85)(cid:83)(cid:70)(cid:1)(cid:69)(cid:70)(cid:1)(cid:68)(cid:80)(cid:79)(cid:71)(cid:207)(cid:83)(cid:70)(cid:79)(cid:68)(cid:70)(cid:84),(cid:1)(cid:42)(cid:47)(cid:49)(cid:1)(cid:53)(cid:80)(cid:86)(cid:77)(cid:80)(cid:86)(cid:84)(cid:70)
MrYvanRACAULT,DirecteurdeRecherche,(cid:1)(cid:36)(cid:38)(cid:46)(cid:34)(cid:40)(cid:51)(cid:38)(cid:39)
MrUlisesJAUREGUI,Professeur(cid:1)(cid:69)(cid:70)(cid:84)(cid:1)(cid:54)(cid:79)(cid:74)(cid:87)(cid:70)(cid:83)(cid:84)(cid:74)(cid:85)(cid:207)(cid:84),INSTECLaHavane
REMERCIEMENTS

Je tiens tout d’abord à remercier mes directrices de thèse qui ont encadré et partagé ce travail
de recherche, Claire Albasi et Marion Alliet. Merci pour votre confiance, votre disponibilité,
et toutes les connaissances que vous m’avez données, tant sur les plans technique et
scientifique qu’humain, qui ont fait de ces trois années une expérience très enrichissante.

Un grand merci à Sylvie Schetrite pour toute son aide. Que ce soit sur la gestion du pilote, les
analyses de boues, ton expérience en traitement des eaux… Merci pour tout le savoir que tu
m’as apporté, mais aussi tous les moments et les idées partagés.

Je souhaite remercier tous les membres du jury pour l’attention qu’ils ont bien voulu porter à
mon travail. Je souhaite exprimer ma gratitude à Philippe Moulin et Marc Héran pour avoir
accepté d’être rapporteur de cette thèse. Je remercie Alain Liné pour m’avoir fait l’honneur de
présider le jury, ainsi que Dominique Anne-Archard, Yvan Racault, Ulises Jauregui et Olivier
Lorain pour l’intérêt porté sur mes travaux et pour la qualité de leurs remarques.

Ces recherches ont fait appel à des domaines techniques variés et nécessité le soutien de
nombreuses personnes. Merci à Jean-Louis Nadalin pour tout le travail réalisé sur le pilote et
la maquette froide. Merci à Thomas Denis pour l’aide sur l’utilisation de la caméra rapide et
la prise d’images. Merci à Marie-Line Pern et à Christine Rey-Rouch pour vos formations et
conseils sur l’utilisation du matériel du laboratoire.

Une partie que je considère très importante dans ma thèse a concerné l’enseignement. Je
souhaite remercier tous les enseignants avec qui j’ai pu partager cette expérience et qui m’ont
aidé dans ce travail. Merci particulièrement à Carole Coufort, Sébastien Teychene et
Micheline Abbas. Marion, merci de m’avoir encouragé dans cette voie.

Ces travaux de thèse n’auraient pas été possibles sans l’aide des stagiaires et étudiants qui y
ont participé. Je remercie grandement Hugo, Teodora, Jesus, Malte et Pedro. Nous nous
sommes croisés moins longtemps mais merci tout autant à Alexis, Christophe, Florian, Cédric
et Claire.

Je souhaite remercier également mes collègues doctorants et post-doctorants. Merci Jordan,
co-bureau depuis le départ, pour avoir partagé l’ensemble de la thèse et notamment les
problèmes qui font le charme des BAM : panne de Kangoo, suivi des pilotes pendant les
vacances de Noël, chute et récupération d’objets divers dans les bassins d’eaux usées... Julien
et Raphaël, je me souviendrai des discussions souvent très créatives que nous avons lancées,
qu’elles soient scientifiques ou pas, constructives ou pas, mais toujours remotivantes. Merci
Jan pour avoir partagé le lancement et la gestion des pilotes à Brax, sans oublié tes conseils de
coureur. Merci aussi aux collègues de l’Alambic.

Enfin un grand merci à ma famille. Hélène, Laurent, Isabelle et Vincent, merci à vous.
Sommaire
- 1 -

Sommaire
Sommaire..................................................................................................................................1

Liste des figures........................................................................................................................7

Liste des tableaux...................................................................................................................15

Nomenclature..........................................................................................................................19

Introduction............................................................................................................................23

Partie 1 : Bibliographie....................................................................................................29
1. Présentation générale du procédé.................................................................................34
2. Filtration dans les BAMI..............................................................................................38
2.1. Homogénéité de filtration.....................................................................................39
2.2. Densité de fibres...................................................................................................41
2.3. Séquençage de la filtration, rétrolavage et relaxation..........................................43
2.4. Bilan sur l’influence des paramètres de filtration................................................46
3. Aération dans les BAMI – Echelle macroscopique.....................................................46
3.1. Paramètres caractéristiques et énergie..................................................................47
3.2. Efficacité de l’injection d’air : influence du débit d’air.......................................49
3.3. Bullage.................................................................................................................53
3.4. Homogénéité de l’aération et design....................................................................55
3.5. Séquençage de l’aération......................................................................................59
3.6. Conclusion sur l’effet global de l’aération...........................................................61
4. Aération dans les BAMI – Echelle locale....................................................................62
4.1. Influence du mouvement des fibres sur le décolmatage......................................62
4.2. Influence des turbulences sur la limitation du colmatage....................................63
4.3. Influence des contraintes de cisaillement.............................................................64
4.4. Bilan sur les effets de l’aération à l’échelle locale...............................................72
5. Conclusion....................................................................................................................72

Partie 2 : Matériel et méthodes..........................................................................................77
1. BAMI pilote.................................................................................................................79
1.1. Description du pilote............................................................................................79
1.2. Module membranaire...........................................................................................81
1.3. Pression TransMembranaire (PTM).....................................................................83
2. Caractérisation des boues.............................................................................................84
2.1. Considérations générales......................................................................................84
2.2. Matières En Suspension (MES)...........................................................................84
2.3. Matières Volatiles en Suspension (MVS)............................................................85
2.4. Demande Chimique en Oxygène (DCO).............................................................85
2.5. Résistance spécifique...........................................................................................86
2.6. Substances Polymériques Extracellulaires (SPE)................................................87
2.7. Rhéologie.............................................................................................................90
2.8. Tailles et formes de flocs.....................................................................................93
3. Hydrodynamique..........................................................................................................95
3.1. Caractérisation de l’écoulement gaz/liquide........................................................95
3.2. Simulation numérique........................................................................................100

- 3 -
Aération pour le décolmatage dans les bioréacteurs à membranes immergées pour le traitement des eaux usées :
impact sur le milieu biologique et la filtration
Partie 3 Etude pilote.......................................................................................................109
1. Déroulement des expériences.....................................................................................112
1.1. Choix des paramètres opératoires ......................................................................112
1.2. Durée des expériences et prélèvements..............................................................116
2. Suivi du pilote............................................................................................................116
2.1. Campagne 1........................................................................................................117
2.2. Campagne 2........................................................................................................118
3. Dérives de PTM.........................................................................................................120
3.1. Campagne 1........................................................................................................120
3.2. Campagne 2........................................................................................................122
3.3. Bilan sur les dérives de PTM.............................................................................123
4. Concentrations en SPE...............................................................................................124
4.1. Campagne 1........................................................................................................124
4.2. Campagne 2........................................................................................................127
4.3. Bilan sur les SPE................................................................................................129
5. Caractéristiques physico-chimiques : tailles de flocs, résistance spécifique et DCO du
surnageant...........................................................................................................................130
5.1. Campagne 1........................................................................................................130
5.2. Campagne 2........................................................................................................131
5.3. Bilan sur les caractéristiques physico-chimiques...............................................132
6. Conclusions................................................................................................................133

Partie 4 Etude hydrodynamique...................................................................................137
1. Caractérisation expérimentale....................................................................................140
1.1. Caractérisation expérimentale en eau.................................................................140
1.2. Caractérisation expérimentale en boues.............................................................145
1.3. Comparaison entre hydrodynamique air/eau et air/boues..................................147
1.4. Récapitulatif sur l’hydrodynamique...................................................................149
2. Simulations numériques.............................................................................................150
2.1. Simulations air/eau.............................................................................................150
2.2. Simulations air/boues.........................................................................................160
2.3. Récapitulatif sur les simulations numériques.....................................................170
3. Tests de déstructuration contrôlée des boues.............................................................171
3.1. Bibliographie technique.....................................................................................171
3.2. Déstructuration contrôlée...................................................................................174
4. Conclusion sur l’étude hydrodynamique....................................................................176

Conclusions...........................................................................................................................179

Références bibliographiques...............................................................................................187

Annexes.................................................................................................................................203
Annexe 1 Suivi du pilote....................................................................................................205
1. Taux d’abattement de la DCO....................................................................................205
2. Ratio protéines/polysaccharides des flocs..................................................................205
3. Concentrations en SPE dans le perméat.....................................................................206
4. Morpho-granulomètrie...............................................................................................207
5. Température : variations long terme..........................................................................209
5.1. Campagne 1........................................................................................................210
5.2. Campagne 2........................................................................................................211
- 4 -
Sommaire
5.3. Bilan sur la température.....................................................................................212
6. Température : variations court terme.........................................................................213
7. Rhéologie...................................................................................................................215
Annexe 2 Analyses en Composantes Principales...............................................................219
1. Principe de l’analyse..................................................................................................219
2. Préparation des donnés...............................................................................................220
3. Résultats des ACP......................................................................................................222
Annexe 3 Détermination expérimentale de vitesses de bulles...........................................229
Annexe 4 Simulations numériques.....................................................................................231
1. Estimation des vitesses de bulles...............................................................................231
2. Influence du maillage sur les simulations..................................................................232
3. Description du modèle RNG-k-eps sous Fluent.........................................................234
4. Comparaison des modèles de turbulences..................................................................235
5. Modèles rhéologiques disponibles sous Fluent..........................................................235
5.1. Loi puissance......................................................................................................235
5.2. Modèle de Carreau.............................................................................................236
5.3. Modèle de Cross.................................................................................................236
5.4. Modèle de Herschel-Bulkley pour les plastiques de Bingham..........................237

- 5 -

Liste des figures
- 7 -