Concevoir la station d'épuration de demain: optimisation des performances de traitements par le suivi en ligne des propriétés holistiques des boues. – NEXT

Dans cet objectif, une approche multi-échelle et multi-disciplinaire a été développée. Premièrement, une approche expérimentale a été menée à l’échelle du laboratoire afin de mesurer précisément les propriétés rhéologiques des boues biologiques et leur évolution en fonction de la composition des boues (teneur en matière sèche et fraction de matière organique).Différentes techniques de mesures ont été évaluées pour leurs capacités à proposer des descripteurs corrélés aux propriétés rhéologiques des boues. Ces techniques comprennent à la fois des outils de spectroscopie optique (dans les gammes du proche-infrarouge et de l’UV visible), de mesure électrique (spectroscopie d’impédance électrique) et d’imagerie (microscopie et caméra rapide). Leur évaluation a été réalisée sur des boues de différentes origines, issues de prélèvements sur des installations industrielles mais également pour le suivi d’expérimentations menées à l’échelle du laboratoire, simulant les différents procédés de traitement des boues. Dans cet objectif, un pilote semi-industriel, reproduisant une filière de traitement des boues équipée d’une table d’égouttage a été conçu et exploité afin de tester l’impact de différents paramètres opératoires sur les propriétés des boues.
Dans une deuxième approche, différentes données relatives aux filières de traitement des boues ont été recueillies à l’échelle industrielle afin de développer des outils d’évaluation des performances des filières, notamment basés sur les analyses de cycle de vie, la définition d’indicateurs de performances et l’évaluation des meilleures techniques disponibles (MTD).

Les principaux résultats obtenus sont constitués (i) d’avancées significatives sur les connaissances relatives sur les propriétés rhéologiques des boues biologiques, (ii) des développements méthodologiques forts à la fois expérimentaux (méthode de référence de mesure rhéologique) et d’outils d’optimisation des procédés par une approche d’analyse multicritère des performances et de sélection des filières à l’aide des meilleures techniques disponibles et (iii) d’identification et d’évaluation de descripteurs pertinents pour le suivi in situ de procédés basés sur la spectroscopie optique.

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La production scientifique du projet est constituée de deux publications dans des revues internationales et de huit communications dans le cadre de conférences, principalement sur les aspects expérimentaux (rhéologie et spectrocopie optique). La valorisation des bases de données conséquentes sera poursuivie. De plus, les différents outils méthodologiques développés seront diffusés au sein des communautés scientifiques et techniques, pour insister sur les besoins de données à générer l’échelle industrielle afin de permettre la définition de stratégies d’optimisation des filières.

La gestion durable des boues résiduaires est l'un des grands enjeux du 21ème siècle. Si toutes les eaux usées produites par la population urbaine mondiale étaient traitées, ce qui est l’objectif ultime de l’OMS, 83 millions de tonnes de matières sèches de boues seraient produites annuellement à l’horizon 2017. La réduction des coûts de la filière « boues » des stations d’épuration – qui représentent en France près de la moitié de la facture de l’assainissement collectif -passe nécessairement par l’optimisation des procédés de traitement. Pour cela, les ingénieurs ont besoin d’outils d’évaluation des performances des procédés au regard des caractéristiques physiques des boues produites mais également des outils plus systémiques permettant d’évaluer les impacts environnementaux et économiques des choix technologiques réalisés. Ces outils permettront (i) d’adapter le fonctionnement des technologies de traitement aux caractéristiques des matériaux et (ii) de choisir les meilleures techniques disponibles pour la filière de traitement des boues.
Plus concrètement, pour pouvoir réaliser cette optimisation, les technologues ont besoin de connaître ou d’estimer le comportement en écoulement des boues, c’est-à-dire leurs propriétés rhéologiques, à chaque étape de la filière de traitement. Les propriétés rhéologiques ne pouvant être déterminées en continu, l’objectif principal du projet est de définir des descripteurs holistiques, mesurables en ligne, permettant de prédire les écoulements et d’adapter les procédés de traitement aux caractéristiques instantanées des boues.
Pour définir ces descripteurs holistiques représentatifs des modifications des caractéristiques des boues pendant les différentes étapes du traitement, des mesures rhéologiques seront couplées à des mesures par spectroscopies proche infrarouge, ultraviolet et électrique, ainsi qu’à des mesures d’activité de l’eau, qui sont toutes des techniques non-destructives. Les boues seront prélevées en entrée et en sortie de chaque procédé de traitement de façon à déterminer l’impact propre à chaque étape de traitement sur leurs propriétés physiques. Ces descripteurs pourront être mesurés en temps réel et fourniront une image instantanée de la structure et de la composition des boues, permettant ainsi une rétroaction rapide sur les conditions opératoires des procédés.
Ces propriétés holistiques seront d’abord déterminées par des mesures effectuées au laboratoire, puis validées sur site. Une phase d’acquisition de données relatives aux caractéristiques des boues, aux technologies utilisées mais également au fonctionnement et émissions des procédés étudiés permettra d’identifier les paramètres clés à utiliser et de définir les conditions optimales pour atteindre les meilleurs niveaux de performances des technologies utilisées en couplant notamment caractéristiques physiques et performances environnementales nécessaires à l’établissement des meilleures technologies disponibles.
A partir des connaissances développées dans ce projet, notre objectif final est de permettre le développement de systèmes et outils de suivi en ligne et en continu pour optimiser les procédés de traitement et développer de nouvelles technologies plus efficaces. L’ensemble de ces travaux permettra d’améliorer les performances des unités de traitement des boues et de réduire les frais de fonctionnement tout en limitant les impacts environnementaux des procédés de traitement de la filière « boue ».