Electrodéshydratation des boues résiduaires : études des paramètres physico-chimiques et biologiques

Electrodewatering of wastewater sludges : study of physico-chemical and biological properties

• Auteur / Autrice : Amina Chiboub
• Direction : Jérémy Olivier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 07/12/2023
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de thermique energétique et procédés - Laboratoire de Génie Thermique Énergétique et Procédés (EA1932)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Dagot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérémy Olivier, Nabil Grimi, Jean-Louis Vaxelaire
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Dagot, Nabil Grimi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polymères

Consommation d'énergie

Conduction électrique

Mots clés libres

Boues résiduaires

Conductivité électrique

Électro-Déshydratation

Hygiénisation des boues

Paramètres physico-Chimiques

Electrical conductivity

Electrodewatering

Physico-Chemical properties

Residual sludge

Sanitization of sludge

Résumé

L'électrodéshydratation des boues résiduaires est un procédé hybride de séparation liquide-solide qui a été étudié à l'aide d'un dispositif de laboratoire. Ce travail de thèse a été réalisé sur la base de tests réalisés avec l'application d'un courant électrique à intensité imposée constante. Ce choix de fonctionnement, outre le fait qu'il soit assez peu étudié dans la littérature, s'est initialement fait dans le but d'améliorer de développement d'un modèle cinétique développé précédemment au laboratoire. Les résultats obtenus lors des essais, ont également permis d'étudier d'autres caractéristiques du procédé telles que le gain de siccité et la consommation énergétique. Plusieurs tests statistiques ont été utilisés pour tenter de mettre en évidence les potentielles relations qui pourraient exister entre certaines propriétés physico-chimiques caractéristiques des boues et les performances du procédé. Ce travail a montré que : (i) le gain de siccité est significativement impacté par la teneur en matières volatiles et la conductivité électrique du gâteau de boue ; (ii) la consommation énergétique est impactée par la siccité initiale de l'échantillon, les matières volatiles, la conductivité et la charge de surface ; (iii) la cinétique de déshydratation est impactée par la siccité initiale et la concentration des polymères exocellulaires solubles (EPS). Dans un second temps, nous nous sommes focalisés sur l'étude de l'impact de la conductivité électrique sur les performances du procédé (en termes de cinétique de déshydratation, de gain de siccité et de consommation énergétique) en modifiant la composition des boues avant les essais. Avec cette démarche nous avons pu modifier la conductivité électrique initiale de la boue. Du graphite et des solutions salines ont été ajoutée afin de modifier respectivement la conductivité de la phase solide et de la phase liquide. Une description claire de l'impact de la conductivité sur les performances du procédé a été difficile car ce paramètre est multi-dépendant des autres paramètres, néanmoins cette étude a montré qu'il y avait un optimum de conductivité pour la boue étudiée et qu'il était donc possible d'optimiser le procédé d'électrodéshydratation en modifiant la conductivité de la phase solide et/ou liquide. Enfin, nous avons également tenter durant ce travail de thèse d'évaluer la potentialité du procédé d'électro-déshydratation à hygiéniser au moins partiellement les boues biologiques (aspect qui est très peu étudié dans la littérature). Sur la base de différentes boues urbaines et industrielles (avec des populations microbiennes différentes) nous avons observé que le procédé d'électro-déshydratation est potentiellement susceptible de réduire de façon significative la teneur en germes pathogènes et pourrait de ce fait avoir, en complément de son rôle de déshydratation, une capacité d'hygiénisation des boues. Malheureusement les phénomènes pouvant expliquer ces observations n'ont pas pu être réellement étudiés au cours de ce travail de thèse.

Electrodewatering of residual sludge is liquid-solid separation that has been studied experimentally using a lab-scale device. This thesis work was carried out by applying an imposed constant electric current. This operating choice, besides being relatively underexplored in the literature, was initially made with the aim of improving the development of a previously developed kinetic model within the LaTEP laboratory. The results obtained during the tests also allowed the study of other process characteristics such as dry solids gain and energy consumption. Several statistical tests were carried out to link the sludge physico-chemical properties and the process performances. This work showed that: (i) the dry solids gain is significantly influenced by volatile suspended solids and electrical conductivity (ii) the energy consumption is affected by the initial dry solids matter, volatile suspended solids, electrical conductivity and surface charge; (iii) the dehydration kinetics is influenced by the initial dry solids and the concentration of soluble exocellular polymers (EPS). In a subsequent phase, we further investigated the impact of electrical conductivity on the process performances (in terms of dewatering kinetics, dry solids gain and energy consumption) by modifying the sludge prior to the tests to achieve different initial electrical conductivities. We modified the solid phase conductivity using graphite and adjusted liquid phase conductivity by adding a salted solution. A clear description of the impact of electrical conductivity on process performances was challenging because this parameter is interdependent with others. However, this study revealed that there is an optimum conductivity for the studied sludge and that it is possible to optimize the electrodewatering process by modifying the electrical conductivity of the solid or liquid phase. Finally, during this thesis work, we also attempted to evaluate the potential of the electrodewatering process to partially sanitize residual sludges (an aspect that is rarely studied in the literature). Based on various urban and industrial sludges with different microbial populations, we observed that the electrodewatering process has the potential to significantly reduce the content of pathogenic microorganisms. Therefore, in addition to its dehydration role, it could have a sanitization capacity for sludges. Unfortunately, the phenomena explaining these observations could not be thoroughly studied during this thesis work.