Mise au point d'une méthodologie de détermination du transfert d'oxygène : application aux biofiltres

par Christophe Amiel

Thèse de doctorat en Génie des procédés de l'environnement

Sous la direction de Michel Roustan et de Alain Héduit.

Soutenue en 2002

à Toulouse, INSA .


  • Résumé

    L'objectif du travail présenté était de mettre au point une méthode de mesure du transfert d'oxygène dans les lits fixes immergés, mettre en évidence et interpréter les facteurs régissant l'évolution du transfert d'oxygène dans ces réacteurs. La première partie est consacrée à l'étude de l'effet du régime de la réaction d'oxydation du sulfite de sodium, selon la concentration de sulfite de sodium et de cobalt, sur le transfert d'oxygène en colonne à bulles. La comparaison des 3 méthodes de mesure du transfert d'oxygène en eau claire a permis de retenir la méthode du bilan gazeux en présence d'un excès de sulfite de sodium sans ajout de cobalt. Dans un deuxième temps, la méthode du bilan gazeux en l'absence de cobalt a été adaptée au cas de la mesure du transfert d'oxygène en colonne à lit fixe immergé. Elle nécessite la mise en oeuvre d'un fort excès de sulfite de sodium pour maintenir la concentration en oxygène dissous nulle sur toute la hauteur du lit fixe. Les rendements d'oxygénation étaient obtenus pour une conductivité élevée ([Chi] > 2000 [micro]S. Cm1̃), l'influence de la conductivité sur le transfert d'oxygène a été précisée d'abord en colonne à bulles puis en colonne à lit fixe immergé. L'augmentation de la conductivité favorise le transfert d'oxygène en colonne à bulles mais également en colonne à lit fixe immergé. Une relation de correction de type exponentielle a d'ailleurs été définie dans les deux cas pour ramener le rendement d'oxygénation à des valeurs de conductivité plus faibles : ROs(2000)=ROs([Chi])x1/exp([Eta]([Chi]-2000)) avec [Eta] = 7,7x105̃ - 8,6x105̃ en colonne à bulles et [Eta] = 8,1x105̃ en colonne à lit fixe. L'étude de l'influence des vitesses liquide et gazeuse sur le transfert d'oxygène a ensuite montré que le rendement d'oxygénation est une fonction puissance décroissante de la vitesse de gaz en colonne à lit fixe immergé. L'influence de la vitesse liquide restait négligeable dans les conditions expérimentales. A une conductivité de 2000 [micro]S. Cm1̃, le rendement d'oxygénation standard diminue de 35,0 à 15,0 % par mètre de matériau lorsque la vitesse de gaz augmente de 2,0 à 18,0 Nm. H1̃. Enfin une étude de faisabilité de la détermination du transfert d'oxygène en biofiltre réel en fonctionnement a été réalisée par la méthode du bilan gazeux. Elle a mis en évidence des difficultés de mesure de la concentration en oxygène dissous au sein du matériau ainsi qu'une hétérogénéité de la concentration en oxygène dissous sur la hauteur du lit fixe rendant l'exploitation des données délicates. Néanmoins, un ordre de grandeur du rendement d'oxygénation a pu être établi. Les résultats de rendement d'oxygénation exprimés dans les conditions standard pour deux vitesses de gaz étudiées (8,8 et 13,0 Nm. H 1) ont montré des performances d'oxygénation respectivement de 11,1 et 7,5 % par mètre de matériau. En eau claire sur pilote, le rendement d'oxygénation était de 15,0 % par mètre de matériau pour une conductivité de 2000 [micro]S. Cm1̃ et une vitesse de gaz de 13,0 Nm. H 1.


  • Résumé

    The aim of this work was to develop a method to measure the oxygen transfer in submerged fixed bed, to interpret and to evaluate the factors that influence the oxygen transfer in these reactors. In the first part, the influence on the oxygen transfer of the sulphite oxidation rate with or without cobalt has been studied in a bubble column. The comparison of 3 oxygen transfer measuring methods allowed to adopt the off gas method without cobalt to determine the oxygen transfer efficiency in clean water (OTE). In the second part, the off gas method has been adapted to submerged fixed bed. It requires a high concentration of sodium sulphite (> 2 g. L1̃) to maintain the dissolved oxygen concentration at zero mg. L1̃ in the fixed bed. As the oxygen transfer efficiencies have been obtained at a high conductivity ([Chi] > 2000 [éta]S. Cm1̃), the influence of the conductivity on the oxygen transfer has been investigated first in a bubble column and then in a submerged fixed bed. A relation has been also proposed to express the oxygen transfer efficiency at a low conductivity value (2000 [éta]S. Cm1̃) : ROs(2000)=ROs([chi]x1/exp([éta]([chi]-2000)) with [éta] = 7,7x105̃ - 8,6x105̃ in a bubble column and [éta] = 8,1x105̃ in submerged fixed bed. In the third part, the influence of the liquid and gas velocity on the oxygen transfer has been studied. The OTE decreases with an increasing gas velocity in the submerged fixed bed column. The influence of the liquid velocity was negligible under the experimental conditions. The oxygen transfer efficiency expressed in standard conditions (SOTE) decreases from 35,0 down to 15,0 % per meter of fixed bed for a gas velocity increasing from 2,0 to 18,0 Nm. H1̃. Measurements with the off gas method have been performed on a full scale plant under process conditions. They pointed out some difficulties to measure the dissolved oxygen concentration inside the fixed bed. Moreover a substantial heterogeneity of the dissolved oxygen concentration in some of the vertical profiles was observed. However, an order of magnitude for the SOTE has been obtained. SOTE values of 11,1 and 7,5 % per meter of fixed bed have been estimated for a gas velocity of 8,8 and 13,0 Nm. H1̃, respectively. In clean water on a pilot, a SOTE value of 15 % per meter of fixed bed has been determined for a gas velocity of 13,0 Nm. H1̃.

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Informations

  • Détails : 230 p.
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 201-207

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  • Bibliothèque : Institut national des sciences appliquées. Bibliothèque centrale.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2002/666/AMI
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