Impact de la loi de comportement rhéologique sur la sédimentation en batch de boues activées : approche expérimentale et numérique

Impact of rheological properties on batch settling of activated sludge: experimental and numerical investigations

Institut de Mécanique des Fluides et des Solides, Université de Strasbourg, 2 rue Boussingault, 67000 Strasbourg
e-mail : florent.locatelli@etu.unistra.fr

Résumé

La rhéologie apparaît comme un champ d’étude primordial pour caractériser le comportement des boues activées. Cette étude s’attache à tester différentes équations liant la viscosité d’une suspension de boues activées à sa concentration à l’aide de simulations numériques de sédimentation en batch. Dans un premier temps, des échantillons de boues activées ont été prélevés dans une station de traitement des eaux afin d’effectuer des mesures rhéologiques de manière à obtenir des ordres de grandeurs réalistes de viscosité ainsi que le rhéogramme des boues. Celui-ci peut être décrit par un modèle de Bingham avec une bonne fiabilité.

Par la suite, un modèle tridimensionnel utilisant les équations de la mécanique des fluides couplées à la rhéologie et la vitesse de sédimentation des boues a été utilisé pour simuler la décantation en batch dans une colonne cylindrique. Différentes relations issues de la littérature liant la viscosité des boues à la concentration ont été testées : elles se distinguent essentiellement par des croissances plus ou moins rapides de la viscosité en fonction de la concentration.

Les profils verticaux et les contours de concentration obtenus avec chaque modèle sont comparés. L’influence du choix de la loi de comportement rhéologique est particulièrement sensible au niveau de la distribution des concentrations au sein du domaine de sédimentation, l’irrégularité des contours de concentration augmentant avec la fluidité de la suspension. Une simulation employant un des modèles précédents modifié de manière à générer des valeurs de viscosité très importantes tend à confirmer ce résultat.

Abstract

Rheology appears as a prominent field of study for the characterization of the behavior of activated sludge. This work aims at testing different models linking the viscosity of a suspension of activated sludge to its concentration using numerical simulations of batch settling. Sludge samples obtained from a wastewater treatment plant have first been used to perform standard tests for the characterization of activated sludge, along with rheological measurements aiming at obtaining realistic viscosity values and the rheogram of the sludge. It appears the latter can be well described by a Bingham model. Then, a three-dimensional model coupling equations of fluid dynamics, sludge settling velocity and rheology has been used to simulate batch settling in a cylindrical column. Three different relationships originating from literature linking sludge viscosity and concentration have been investigated: they differ from one another mainly by a more or less steep increase of the viscosity with respect to the concentration. The vertical profiles and the contours of concentration obtained with each model are compared. The influence of a change of rheological model is particularly obvious at the level of the concentration distribution within the sedimentation domain, the irregularity of the concentration contours becoming more important as the fluidity of the suspension increases. A simulation using one of the previous models modified to generate even greater values of viscosity tends to confirm this observation.