Etude et quantification des phénomènes physiques pour l’optimisation des lavages des biofiltres du traitement des eaux usées

Février à Aout 2020 (M2 ou M1)

La biofiltration immergée des eaux usées (filtration des effluents sur support granulaire sur lequel se développe un biofilm épuratoire) s’est considérablement développée en France (130 installations, 20% de la capacité des stations) et dans le monde (plus de 500 installations). C’est un procédé intensifié qui répond à un besoin sociétal, mais dont la compréhension pose des problèmes physiques complexes qu’il s’agit de hiérarchiser.
Le maintien des capacités de traitement passe par une étape de régénération périodique, appelée « lavages », qui consiste à appliquer des séquences d’air et d’eau, voire un mélange d’air et d’eau, à de très fortes vitesses (plusieurs dizaines de m/h) pendant plusieurs minutes. Ces séquences visent à fluidiser le milieu granulaire, l’agitation permettant de déstructurer l’édifice (agrégation de matériau colonisé par le biofilm) constitué lors de la filtration ; il s’agit donc de détacher le biofilm et entrainer ces matières (ex. particules préalablement filtrées, biofilm développé, agrégats formés). Outre l’expansion nécessaire du milieu granulaire, certaines étapes visent à appliquer des variations de contraintes locales pour favoriser les chocs entre supports et arracher les matières cohésives (molles, aux caractéristiques proches de celles d’un gel). Le rinçage final permet l’entraînement des matières détachées hors du milieu granulaire, avant qu’il ne se recontracte et que le biofiltre ne reprenne son cycle de filtration.
Maitriser l’efficacité des lavages est le point clef pour optimiser les biofiltres, et notamment éviter la survenue d’un colmatage en masse et irréversible. Le verrou à lever consiste à comprendre la relation entre la nature des séquences des lavages (monophasique eau, air ou diphasique eau+air) et les contraintes locales (induisant arrachement, détachement, entraînement le biofilm) induites sur le milieu granulaire. Le second verrou consiste à comprendre comment les caractéristiques des supports constituant le milieu granulaire (densité, forme, élasticité) et celles de la matière constituant le biofilm (viscoélasticité) influencent l’efficacité du nettoyage du matériau et en particulier la mise en mouvement du support granulaire. Les réponses à ces questions doivent permettre de déterminer les conditions de fonctionnement optimales, à savoir les vitesses d’eau et d’air à appliquer lors des lavages, les durées de ces lavages, et de comprendre pourquoi certains lavages peuvent s’avérer inefficaces.
Travail attendu : Le travail de stage a pour objectif de mener une approche quantitative basée sur la mécanique des fluides en écoulement di voire triphasique (phase eau continue/ phase air dispersée/matériau support granulaire) permettant d’optimiser les lavages des biofiltres.
Il comprendra :
1. Un recensement des mécanismes élémentaires se déroulant en écoulement di- ou triphasique lors des séquences des lavages des biofiltres (eau, air et eau+air) et ayant une influence sur le matériau et les matières stockées dans le milieu granulaire dense
2. Une estimation des énergies appliquées et dissipées, des ordres de grandeur des contraintes (collision, fréquence de chocs, pressions granulaires et cisaillements), et mise en relation avec les propriétés de la matière présente sur les supports (viscoélasticité…). Hiérarchisation.
3. L’élaboration d’une stratégie de mesures en vue de déterminer expérimentalement les principales contraintes hydrodynamiques appliquées lors des lavages
4. Une synthèse de l’approche de mécanique des fluides sous forme d’un rapport de stage, et des conclusions sur l’optimisation des lavages des biofiltres
Le stagiaire bénéficiera d’un encadrement de spécialistes de la biofiltration.
Compétences recherchées : hydraulique, écoulements polyphasiques, génie des procédés, processus et modélisation. Maîtrise de l’anglais, Motivation, persévérance, curiosité