Contribution à l`étude du séchage convectif de boues de station d

Contribution à l'étude du séchage convectif
de boues de station d'épuration et
des émissions gazeuses associées
Laurent Fraikin
Thèse présentée en vue de l’obtention du grade de
docteur en sciences de l’ingénieur
Université de Liège
Faculté des Sciences Appliquées
Département de Chimie Appliquée
Laboratoire de Génie Chimique
2012
1
Jury :
Mme Dominique TOYE, Chargée de cours à l’ULg, Présidente
M. Michel CRINE, Professeur ordinaire à l’ULg, Co-promoteur
Mme Angélique LEONARD, Chargée de cours à l’ULg, Co-promotrice
M. Jacques NICOLAS, Professeur à l’ULg
Mme Ilse SMETS, Professeur à la KULeuven
Mme Patricia ARLABOSSE, Maître-assistante, à l’Ecole des Mines d’Albi-Carmaux
M. François NICOL, Directeur du Département Energétique & Procédés,
VEOLIA Environnement Recherche & Innovation
3
Remerciements
Cette thèse a été réalisée au sein du laboratoire de Génie Chimique de l’Université de
Liège, Belgique, en collaboration avec VEOLIA Environnement Recherche & Innovation,
Centre de Limay, France. Ce travail aborde une thématique de recherche majeure du
laboratoire qui est l’étude du séchage convectif appliqué aux boues de station d’épuration. Ce
thème s’inscrit dans une problématique environnementale et économique actuelle qui est la
gestion des boues. Un nouvel axe de recherche dédicacé à l’étude des émissions gazeuses
associées au séchage convectif a été développé au cours de cette thèse.
Je tiens à adresser mes plus vifs remerciements à Monsieur François Nicol, Directeur du
Département Energétique & Procédés chez VEOLIA Environnement Recherche & Innovation
pour m’avoir accordé sa confiance pour la réalisation de ce travail. Mes remerciements
s’étendent à tout le personnel du centre de Limay qui m’a accueilli en son sein et, tout
particulièrement, à Monsieur Benjamin Herbreteau pour nos nombreuses discussions et
heures passées ensemble.
Je tiens à exprimer toute ma gratitude à mes deux promoteurs, le Professeur Michel Crine
et le Professeur Angélique Léonard pour leur soutien tout au long de la thèse. Leurs
connaissances et leurs suggestions m’ont toujours permis d’avancer et ont contribué à la
finalisation de ce travail.
Je voudrais remercier les sociétés 2MProcess, L.P.Pesage, Sistec et Environnement SA
pour leur expertise dans leurs domaines respectifs. Mes remerciements s’adressent également
au personnel de l’AIDE et d’AQUIRIS pour m’avoir permis de réaliser les prélèvements
d’échantillons nécessaires.
Je tiens à remercier sincèrement Monsieur Thierry Salmon, ingénieur industriel au
Laboratoire de Génie chimique pour son aide et ses connaissances pratiques qui m’ont permis
de résoudre bien des problèmes et de clarifier mes pensées. Mes remerciements s’adressent
également à tous les membres du Département de Chimie appliquée qui m’ont aidé et
encouragé tout au long de ce travail.
Je tiens à remercier toute ma famille, sans laquelle je ne serais rien, ainsi que tous mes
amis amberlirims, saxophonistes (et Banjo), escrimeurs et les nombreux autres qui m’ont
encouragé et supporté.
Je tiens également à remercier les Professeurs Dominique Toye et Jacques Nicolas de
l’ULg, le Professeur Ilse Smets de la KULeuven et Mme Patricia Arlabosse, Maîtreassistante, HDR de l’École des Mines d’Albi-Carmaux qui ont accepté d’évaluer ce travail.
5
Résumé
Cette thèse a été réalisée au sein du Laboratoire de Génie Chimique de l’Université de
Liège en collaboration avec VEOLIA Environnement Recherche et Innovation, Centre de
Limay (France). Elle s’inscrit dans le domaine de la gestion des boues de station d’épuration.
En effet, la production de boue ne cesse de croitre et la législation européenne actuelle et
future renforce encore cette tendance. Dès lors, le séchage des boues devient une étape
incontournable dans le contexte des deux filières majeures de valorisation que sont l’épandage
agricole et l’incinération pour la production d’énergie. L’objectif de ce travail est de
contribuer à améliorer les connaissances dans le domaine du séchage convectif de boues, au
niveau de la cinétique de séchage et des émissions gazeuses associées, ces dernières étant l’un
des inconvénients liés au séchage convectif mais très mal connues à l’heure actuelle. Cette
étude des émissions gazeuses, avec la conception d’outils expérimentaux spécifiques,
constitue l’originalité majeure de ce travail de thèse.
Le chapitre I expose l’ensemble des connaissances existantes dans le domaine du séchage
des boues de station d’épuration et des émissions gazeuses qui y sont liées. Il aborde l’origine
des boues, leur production, leurs voies de valorisation et les technologies actuelles de séchage.
Ce chapitre fait également la synthèse des concepts théoriques et données scientifiques
majeures en relation avec l’état de l’eau au sein de la matière, la cinétique de séchage
convectif, les émissions gazeuses et les exo-polymères.
Le chapitre II détaille la démarche associée à la conception du pilote de séchage convectif
sur lequel repose ce travail de thèse. Cet outil expérimental unique permet de suivre la
cinétique de séchage de boue à deux échelles, l’extrudat et le lit, sous des conditions
complètement contrôlées en température, humidité et vitesse d’air et de mesurer les émissions
gazeuses à l’échelle du lit de boue. Toutes les méthodes liées à l’obtention et au traitement
des données sont également détaillées dans ce chapitre.
Les chapitre III à VII présentent les résultats. Le chapitre IV présente les analyses des
exo-polymères et est utilisé pour expliquer plusieurs comportements observés dans les autres
chapitres. Les émissions gazeuses sont étudiées dans le chapitre III et VI et les cinétiques de
séchage dans les chapitres VI et VII.
Le chapitre III est consacré à la stabilité des émissions gazeuses en fonction du stockage.
Il permet de mettre au point les différents protocoles de mesures pour la suite de ce travail. En
plus d’étudier l’influence du stockage de la boue dans des conditions idéales de laboratoire
dans le but d’identifier une zone de stabilité des émissions gazeuses permettant la réalisation
d’un plan d’expérience sur un seul lot de boue, il envisage l’impact du stockage en conditions
industrielles afin de prodiguer des conseils visant à améliorer la gestion des effluents gazeux
issus du séchage des boues.
Le chapitre IV analyse la concentration et la répartition des exo-polymères dans la boue
et leur évolution durant le stockage en laboratoire. Ces analyses sont reliées aux différentes
observations réalisées dans le chapitre III et mettent en évidence l’influence de la répartition
des composés chimiques au sein des différentes couches d’exo-polymères sur les émissions
gazeuses, tant du point de vue des quantités émises que de la forme des profils d’émission.
Le chapitre V est consacré à l’étude de l’influence de l’origine de la boue et des
conditions opérations de séchage sur les émissions gazeuses. Les différents profils
7
d’émissions gazeuses rencontrés durant les séchages sont commentés les variables opératoires
régissant les émissions sont identifiées.
Le chapitre VI est consacré à l’étude de la cinétique de séchage à l’échelle du lit de boue.
Il s’intéresse à l’impact du stockage de boues conservées à 4°C ou 12°C, représentant
respectivement des conditions de conservation idéales de laboratoire ou des conditions
proches de la réalité industrielle. Pour terminer, l’influence des conditions opératoires sur le
temps de séchage est abordée.
Le chapitre VII est relatif à l’étude de la cinétique de séchage au niveau d’un extrudat
individuel. L’influence des conditions opératoires sur le retrait, le flux d’évaporation
maximal, le temps de séchage, le coefficient caractérisant le ralentissement de la cinétique
séchage et la teneur critique en eau est déterminée. De plus, les coefficients de transfert
extragranulaires calculés sont exprimés sous la forme de corrélations faisant appel à des
nombres adimensionnels.
Le travail se termine par le chapitre VIII présentant les diverses conclusions résultant des
études réalisées dans ce travail et ouvrant des pistes pour de futures recherches.
Tables des matières
Chapitre I : L’état de l’art......................................................................................................... 13
1. Introduction générale........................................................................................................ 13
2. Les boues de station d’épuration ...................................................................................... 14
2.1. L’épuration des eaux ................................................................................................. 14
2.2. Les boues : un matériau complexe à sécher .............................................................. 16
2.3. La valorisation des boues .......................................................................................... 17
2.4. L’intérêt du séchage .................................................................................................. 18
2.5. Les technologies de séchage ..................................................................................... 19
2.5.1. Le sécheur à bandes ou sécheur tunnel .............................................................. 20
2.5.2. Le sécheur à lit fluidisé ...................................................................................... 21
2.5.3. Le sécheur rotatif convectif................................................................................ 21
2.5.4. Les sécheurs rotatifs conductifs ......................................................................... 22
2.5.5. Les sécheurs combinés ....................................................................................... 23
2.5.6. Les sécheurs hybrides......................................................................................... 23
2.5.7. Les sécheurs solaires .......................................................................................... 24
3. Notions théoriques utiles à l’étude et à la compréhension du séchage ............................ 25
3.1. L’état de l’eau au sein d’un matériau humide ........................................................... 25
3.2. Les isothermes d’adsorption-désorption à l’eau........................................................ 25
3.3. La cinétique de séchage............................................................................................. 28
3.3.1. Modélisation simplifiée de la cinétique de séchage ........................................... 30
3.3.2. Phase à flux constant .......................................................................................... 31
3.3.3. Phase à flux décroissant ..................................................................................... 32
4. Revue bibliographique : séchage de boues, émissions gazeuses et exo-polymères......... 33
4.1. Le séchage de boue de STEP .................................................................................... 33
4.2. Les émissions gazeuses liées au séchage des boues de STEP................................... 37
4.3. Les exo-polymères .................................................................................................... 40
4.3.1. Origine et composition des exo-polymères ........................................................ 40
4.3.2. Extraction des exo-polymères ............................................................................ 41
4.4. Influence des exo-polymères sur la déshydratation .................................................. 41
5. Conclusions et enjeux....................................................................................................... 42
6. Structuration de la thèse ................................................................................................... 42
Chapitre II : Matériels et méthodes .......................................................................................... 45
1. Conception des dispositifs expérimentaux de séchage .................................................... 45
1.1. Cahier des charges..................................................................................................... 45
1.2. Prise en compte de la sécurité ................................................................................... 46
1.3. Aperçu général du dispositif expérimental................................................................ 47
1.4. La production de l’air de séchage ............................................................................. 48
1.4.1. La génération de l’air sec ................................................................................... 48
1.4.2. La génération de la vapeur ................................................................................. 50
1.4.3. Le mélangeur/réchauffeur .................................................................................. 52
1.4.4. Contrôle de l’humidité de l’air ........................................................................... 53
1.5. La « petite » cellule ................................................................................................... 54
1.5.1. Le suivi de la masse ........................................................................................... 56
1.5.2. Le suivi de la surface.......................................................................................... 58
1.5.3. Le suivi de la température de surface................................................................. 60
9
1.6. La « grande » cellule ................................................................................................. 60
1.6.1. Le porte-échantillon ........................................................................................... 61
1.6.2. Le suivi de la masse ........................................................................................... 62
1.6.3. La température du lit .......................................................................................... 65
1.7. Aspects liées à sécurité de l’installation.................................................................... 66
1.7.1. La sécurité de l’utilisateur .................................................................................. 66
1.7.2. L’ergonomie de l’installation ............................................................................. 67
1.7.3. L’étanchéité des cellules .................................................................................... 68
1.7.4. La sécurité anti-combustion ............................................................................... 68
1.8. Le condenseur ........................................................................................................... 68
2. Traitement des données « cinétique » .............................................................................. 70
2.1. Correction de la masse de la petite cellule ................................................................ 70
2.2. Lissage et dérivée de la masse................................................................................... 70
2.3. Détermination de la surface d’échange par analyse d’images (petite cellule) .......... 71
2.4. Exemple concret de traitement des données (petite cellule) ..................................... 73
2.5. Correction de la masse de la grande cellule .............................................................. 74
3. L’analyse des émissions gazeuses.................................................................................... 75
3.1. Les composés organiques volatils ............................................................................. 76
3.2. L’ammoniac .............................................................................................................. 78
4. Origine, conservation et préparation des échantillons de boue........................................ 80
4.1. Préparation de l’échantillon cylindrique pour la petite cellule ................................. 81
4.2. Préparation du lit de boue pour la grande cellule...................................................... 82
4.3. Caractérisation de la boue ......................................................................................... 83
4.4. L’extraction des exo-polymères ................................................................................ 84
5. Stratégie expérimentale .................................................................................................... 84
Chapitre III : Étude de la stabilité des émissions gazeuses lors du stockage ........................... 91
1. La répétabilité de la mesure des émissions gazeuses ....................................................... 92
1.1. Les émissions de COV .............................................................................................. 92
1.2. Les émissions de NH3 ............................................................................................... 97
2. Étude de l’impact du stockage ......................................................................................... 99
2.1. Influence du stockage à une température de 4°C ...................................................... 99
2.2. Stockage à 12°C ...................................................................................................... 102
3. Conclusions .................................................................................................................... 105
Chapitre IV : Exo-polymères, séchage et émissions gazeuses............................................... 107
1. La répétabilité................................................................................................................. 108
2. Effet du stockage............................................................................................................ 109
2.1. La boue activée........................................................................................................ 110
2.2. La boue thermolysée et digérée............................................................................... 111
2.3. La boue digérée ....................................................................................................... 113
3. Corrélations entre émissions gazeuses et analyse des EPS ............................................ 114
3.1. La boue activée........................................................................................................ 114
3.2. La boue thermolysée et digérée............................................................................... 117
4. Teneur en matière solide volatile et émissions de COV ................................................ 120
5. Conclusions .................................................................................................................... 122
Chapitre V : Étude de l’influence des conditions opératoires sur les émissions gazeuses..... 123
1. Interprétation de la forme des courbes d’émissions gazeuses........................................ 123
1.1. Les émissions de COV ............................................................................................ 123
1.2. Les émissions d’ammoniac ..................................................................................... 126
1.2.1. La boue activée................................................................................................. 126
1.2.2. La boue thermolysée et digérée........................................................................ 129
2. Influence des conditions opératoires sur les émissions - Boue activée........................ 131
2.1. Les émissions de COV ............................................................................................ 133
2.2. Les émissions d’ammoniac ..................................................................................... 136
3. Influence des conditions opératoires sur les émissions - Boue thermolysée/digérée.... 138
3.1. Les émissions de COV ............................................................................................ 142
3.2. Les émissions d’ammoniac ..................................................................................... 142
4. Conclusions .................................................................................................................... 143
Chapitre VI : Étude de la cinétique de séchage – Échelle du lit de boue............................... 145
1. Répétabilité des mesures cinétiques sur la grande cellule.............................................. 145
2. Étude de l’impact du stockage à une température de 4°C.............................................. 148
2.1. La boue activée........................................................................................................ 150
2.2. La boue thermolysée et digérée............................................................................... 151
3. Étude de l’impact du stockage à une température de 12°C............................................ 153
4. Analyse des résultats issus du plan d’expérience........................................................... 154
5. Conclusions .................................................................................................................... 157
Chapitre VII : Étude de la cinétique de séchage – Échelle d’un extrudat .............................. 159
1. Répétabilité..................................................................................................................... 160
1.1. La boue activée........................................................................................................ 160
1.2. Boue digérée............................................................................................................ 164
2. Analyse du plan d’expérience ........................................................................................ 167
2.1. Le retrait .................................................................................................................. 168
2.2. Le flux maximal ...................................................................................................... 171
2.3. Le temps de séchage................................................................................................ 173
2.4. Le coefficient β........................................................................................................ 176
2.5. La teneur critique en eau ......................................................................................... 180
3. La température de surface .............................................................................................. 182
3.1. La boue activée........................................................................................................ 182
3.2. La boue thermolysée et digérée............................................................................... 185
4. Étude des coefficients de transfert extragranulaires....................................................... 187
5. Conclusions .................................................................................................................... 190
Chapitre VIII : Conclusions et perspectives........................................................................... 193
Bibliographie.......................................................................................................................... 197
Liste des symboles et acronymes ........................................................................................... 203
Annexe I ................................................................................................................................. 205
Annexe II................................................................................................................................ 207
Annexe III .............................................................................................................................. 208
Annexe IV .............................................................................................................................. 211
11