Soutenance mémoire
Depuis la révolution industrielle au dix-neuvième siècle, l’homme a épuisé la nature par l’utilisation massive de ces ressources comme le charbon, le bois et le pétrole. La combustion de ces combustibles produit, en plus de l’énergie voulue, des polluants dont, à cette époque, leurs effets environnementaux n’ont pas posé de problème. Avec l’accroissement de l’activité industrielle et la multiplication du nombre d’habitants sur terre après la deuxième guerre mondiale, les ressources naturelles s’assèchent de plus en plus et les problèmes environnementaux se sont fait sentir avec le changement climatique et les catastrophes naturelles. Par la suite, le principal défi qui s’impose durant ce siècle est la protection de l’environnement et l’utilisation des énergies non polluantes et renouvelables.
Parmi les problèmes que soulèvent l’accroissement de la population et de l’industrie, nous citons le traitement des eaux usées et des déchets émis quotidiennement par l’industrie. Après différentes étapes des traitements des eaux usées, le produit obtenu est sous forme de boue appelée boue des stations d’épuration, sa libération dans la nature présente une menace pour l’environnement. Pour cela, le séchage s’avère un procédé intéressant et indispensable. Il consiste à diminuer la teneur en eau du produit par l’évaporation de la quantité d’eau qu’il contient. Pour des raisons de coût énergétique de l’évaporation de l’eau, le séchage n’a tendance à être utilisé que lorsque le procédé de séparation mécanique de l’eau devient impuissant.
Afin de procéder au séchage à moindre coût, les industriels demandent aux chercheurs de leurs proposer une solution efficace et rentable. Pour cela, notre recherche est orientée vers la voie solaire. Le séchage solaire des boues industrielles présente plusieurs avantages. Premièrement, l’énergie utilisée est gratuite, ce qui permet d’économiser le coût énergétique et de devenir une voie intéressante pour l’utilisation industrielle. Deuxièmement, le procédé du séchage avec l’utilisation d’un séchoir de type serre est propre et donc ne nuit pas à l’environnement et finalement, le séchage sous serre se fait à des températures importantes, suite à l’effet de serre, ce qui permet de stériliser la boue et donc de la revaloriser.
Historique et développement de la procédure du séchage solaire
Séchage direct et indirect
Le séchage solaire a été utilisé depuis des siècles. Il a été utilisé comme étant un outil de conservation des aliments (fruits, légumes et viande). Le principe est très simple, il consiste à exposer le produit au soleil afin de le déshydrater et d’extraire l’eau qu’il contient. Cette méthode est efficace, ce qui explique son utilisation jusqu’à présent. La première méthode est le séchage direct . Cette méthode est efficace, donc elle à été très utilisée jusqu’à maintenant. Cependant, les inconvénients de cette méthode sont la dégradation des aliments et les mauvaises conditions hygiéniques. En effet, l’exposition directe aux rayons du soleil dégrade les aliments, car le rayonnement ultra-violet (UV) détériore les vitamines, les protéines et la couleur des aliments. Donc, les aliments obtenus n’ont plus la même saveur ni la même qualité nutritive.
Afin d’améliorer le produit obtenu et le contrôle du procédé de séchage, une autre technique a été développée au vingtième siècle. C’est le séchage indirect , son principe est aussi simple, il consiste à faire circuler l’air chaud entre les aliments dans un châssis. L’air chaud entre par la partie basse, réchauffe les aliments disposés sur des grilles et s’évacue par la cheminée. Le châssis est surmonté d’une vitre ou plaque de plexiglas inclinée à 45 et exposée plein sud, afin d’assurer une exposition maximale au soleil, avec un absorbeur (plaque de couleur noire) permettant de faire monter l’air vers le châssis.
Dans les deux cas, le temps du séchage dépend principalement de l’ensoleillement et aussi de l’humidité de l’air et de l’épaisseur du produit à sécher. En effet, durant la période estivale, on a un ensoleillement plus important qu’en hiver. Par la suite, la durée du séchage durant la période estivale est plus courte que celle de l’hiver.
Historique du séchage solaire des boues
Le développement des procédés du séchage solaire des boues de stations d’épuration a commencé en Europe, notamment en Allemagne, durant les années 1990 avec le procédé IST [40]. Durant cette dernière décennie, les principaux procédés utilisés en France sont Soliamix qui est proposé par Véolia et IST proposé par DegrEment. En effet, les serres utilisées pour ces procédés dérivent des serres horticoles. Elles sont généralement en plexiglas et se diffèrent généralement par le procédé de renouvellement de l’air asséchant. On peut citer les serres ouvertes, les serres fermées, les serres avec effet cheminées, les serres avec brasseur d’air, etc… Elles se diffèrent, également, par la manière d’alimenter la serre en boue et par le système de retournement de la boue (cochon électrique et systèmes rotatifs).
Avantages et limites du séchage solaire
Les serres utilisées pour le séchage des boues utilisent une énergie renouvelable, soleil, et elles permettent de diminuer le volume de la boue sans dégagement de dioxyde de carbone. Donc, le séchage solaire s’inscrit dans une démarche de développement durable et de la protection de l’environnement, préoccupation d’actualité à l’échelle mondiale, ce qui lui permet d’avoir, à la fois, des intérêts scientifiques, économiques et politiques.
En effet, le séchage solaire des boues des stations d’épuration nous permet :
➤ de diminuer le coût de production de la boue par l’utilisation d’une énergie non couteuse (solaire) ;
➤ de réduire le volume de la boue, ce qui influe directement sur le coût de stockage et du transport ;
➤ l’hygiénisation et la stabilisation de la boue : la diminution de la teneur en eau, durant le séchage et les températures importantes stoppent toutes activités biologiques et bactériennes ;
➤ d’obtenir des boues sèches granulées faciles à manipuler et à utiliser pour la valorisation agricole ;
➤ d’obtenir un bilan environnemental positif puisqu’il n’y a pas de gaz toxiques libérés en plus d’une faible consommation d’énergie utilisée, de 20 à 80 kW/h électrique pour l’évaporation d’une tonne d’eau. Cependant, quelques limites existent du séchage solaire des boues des stations d’épuration, ces contraintes sont plutôt logistiques :
➤ le site du séchage qui doit tenir compte de son environnement (vents dominants et habitations) contenue la production d’odeurs ;
➤ le rendement de la serre dépend des conditions climatiques. En été, le séchage fonctionne très bien, tandis qu’en hiver la serre joue seulement le rôle de stockage ;
➤ la superficie importante de la serre ce qui nécessite une disponibilité foncière.
Différentes filières de traitement des boues de stations d’épuration
Le principal objectif du traitement des boues dans une station d’épuration est d’en réduire le volume pour limiter les quantités à stocker et de les stabiliser pour en améliorer les caractéristiques physiques et arrêter la biodégradation dont elles sont le lieu. En effet, leur forte teneur en eau initiale qui est de l’ordre de 99 % et les fortes populations bactériennes qui s’y retrouvent, en font un bouillon de culture favorable à la dégradation de la matière organique fraîche et très fermentescible qu’elles contiennent, avec la production des mauvaises odeurs.
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Table des matières
Introduction
I –Etat de l’art
A- Approche Générale
1 -Introduction
2 -Historique et développement de procédure du séchage solaire
2.1 -Séchage direct et indirect
2.2 -Historique du séchage solaire des boues
2.3 -Avantages et limites du séchage solaire
3-Différentes filières de traitement des boues de stations d’épuration
3.1 -L’épaississement
3.2 –La stabilisation
3.3 –La déshydratation
3.4 –Le séchage
3.5 –La valorisation
B-Bibliographies
1 -Introduction
2 -Revue bibliographique
II -Modélisation Mathématique
1 -Introduction
2 -Description et modélisation mathématique du problème étudié
2.1 -Hypothèses simplificatrices
2.2 -Equations régissant le champ hydrodynamique, thermique et massique et les conditions aux limites
2.2.1 -Equations de transfert dans le milieu fluide
2.2.2 -Equations de transfert dans le milieu poreux
2.2.3 -Adimensionnalisation
2.2.4 -Formulation fonction de courant-vorticité
3 -Nombres sans dimensions caractérisant le phénomène
III –Modèle de la cinétique du séchage
1 -Définitions et notions de base sur le séchage
2 -Périodes du séchage et caractéristiques
3 -Concept de la courbe caractéristique du séchage
4 -Modélisation de la cinétique du séchage
4.1 -Calcul de la vitesse de la phase constante
4.2 -Calcul de la vitesse du séchage à l’instant t
4.3 -Calcul des nouvelles grandeurs
IV -Traitement Numérique
1 -Introduction
2 -Discrétisation
3 -Cas du canal horizontal
4 -Cas du milieu poreux
5 -Conditions aux limites
6 -Résolution numérique
7 -Etude de sensibilité au maillage
8 -Validations du code de calcul
8.1 -Pour le milieu fluide
8.2 -Pour le milieu poreux
8.3 -Pour la cinétique du séchage
V-Analyse des Résultats
1 -Introduction
2 -Etude paramétrique
A -Effet des paramètres climatiques
2.1 -Influence du nombre de Reynolds
2.1.1 -Évolutions des températures, vitesses et fractions massiques sur la hauteur de la section centrale du canal et de la boue
2.1.2 -Transferts thermiques et massiques le long de la surface de la boue
2.1.3 -Cinétique du séchage
2.2 -Influence de l’humidité relative de l’air ambiant
2.2.1 -Évolutions des températures, vitesses et fractions massiques sur la hauteur de la section centrale du canal et de la boue
2.2.2 -Transferts thermiques et massiques le long de la surface de la boue
2.2.3- Cinétique du séchage
2.3 -Influence de la température de l’air ambiant
2.3.1 -Évolutions des températures, vitesses et fractions massiques sur la hauteur de la section centrale du canal et de la boue
2.3.2 -Transferts thermiques et massiques le long de la surface de la boue
2.3.3 -Cinétique du séchage
2.4 -Influence de l’intensité du rayonnement solaire
2.4.1 -Évolutions des températures, vitesses et fractions massiques sur la hauteur de la section centrale du canal et de la boue
2.4.2 -Transferts thermiques et massiques le long de la surface de la boue
2.4.3 -Cinétique du séchage
2.5 -Récapitulatif de l’effet des conditions opératoires climatiques
B -Effet des paramètres relatifs à la boue
2.6 -Influence de la teneur en eau de la boue
2.6.1 -Transferts thermiques et massiques le long de la surface de la boue
2.6.2 -Cinétique du séchage
2.7 -Influence de l’épaisseur de la boue
2.7.1 -Transferts thermiques et massiques le long de la surface de la boue
2.7.2 -Cinétique du séchage
3 -Etude du séchage solaire des boues des stations d’épuration dans la région de Tataouine
3.1 -Etude des transferts
3.2 -Etude de la cinétique
3.3 -Etude du rendement
Conclusion
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