Modélisation du séchage combiné des boues de stations d’épuration

Résumé de l’article proposé à « International Journal of Refrigeration »

L’état des lieux du séchage solaire des boues ainsi que le modèle développé au chapitre 1 mettent en relief ses limites. De par sa dépendance des conditions climatiques et d’ensoleillement, le séchage solaire présente des performances inégales sur l’année. Afin de remédier à cette situation et amener une solution technique pour les stations d’épuration de petite et moyenne tailles pour le séchage de leurs boues, le couplage de pompes à chaleur à une serre solaire est proposé comme une solution assurant l’appoint d’énergie nécessaire pour l’amélioration des conditions d’évaporation de l’eau contenue dans les boues. Cette énergie supplémentaire peut être fournie aux boues en appliquant un chauffage conductif via une dalle chauffante et un chauffage préalable de l’air de balayage avant son introduction dans la serre. Le chapitre 2 a été consacré à la compréhension des transferts de chaleur et de masse rencontrés au cours du séchage conductif des boues. Les résultats expérimentaux ont permis d’établir des lois de comportement en fonction de la siccité des boues et de la fréquence de retournement. Par ailleurs, le séchage convectif des boues induit des modifications de l’état de leur surface et de la surface effective d’échange massique, investiguées au chapitre 3 . Les résultats de l’étude expérimentale réalisée permettent d’établir des corrélations entre les coefficients d’échange d’une part, et la siccité des boues et les conditions de ventilation d’autre part. A partir de ces résultats, un modèle complet du système de séchage combiné est développé. Il permet de simuler heure par heure le fonctionnement de ce procédé de séchage et d’évaluer ses performances. La première partie de ce chapitre, exposée sous forme d’article, est consacrée à la présentation de ce modèle. Un module est dédié à la modélisation de chacun des trois principaux composants du système : les boues, la serre solaire et les pompes à chaleur. Le modèle suppose les boues composées de cinq couches échangeant chaleur et masse entre elles. Ces échanges sont décrits par des équations de transfert de chaleur et de masse basées sur les résultats des corrélations établies au chapitre 2. Les échanges à la couche superficielle sont également modélisés au moyen des corrélations établies au chapitre 3, la couche du fond échange par conduction avec l’eau en circulation dans la dalle chauffante. Un modèle mono-dimensionnel des parois de serre est retenu admettant comme conditions aux limites les échanges convectifs avec l’air ambiant du côté de la paroi externe, et avec l’air sous la serre du côté de la paroi interne. Par ailleurs, les parois de la serre sont modélisées comme des plaques planes de dimensions identiques à celles de la surface de séchage pour obtenir une écriture simple des échanges radiatifs. En ce qui concerne la modélisation des PAC, un modèle simple de pompe à chaleur eau/eau régulée par détente sèche est retenu. L’inertie thermique des circuits hydrauliques aux condenseurs permet de négliger le comportement transitoire des PAC. Les composants du cycle de compression de vapeur sont modélisés individuellement. Les compresseurs sont représentés par des équations polynomiales du débit de fluide frigorigène et de la puissance électrique consommée, établies en fonction des températures de condensation et d’évaporation. Les échangeurs sont modélisés par des coefficients d’échange globaux. Les modules décrivant les pompes à chaleur sont couplés au module calculant la serre via les températures d’air soufflé et extrait pour la PAC de chauffage d’air, et la température de la dalle pour la PAC responsable du chauffage conductif.

Sludge solar drying Wastewater urban

sludge treatment is an environmentally sensitive problem in terms of both energy and pollutants. Regulations concerning sludge agricultural spreading and thermal oxidation processes are becoming more and more restrictive due to hygiene and disease reasons as well as economical constraints. The fate of urban wastewater sludge will continue to be an ongoing challenge as long as quantities are increasing. From 2004 till 2005, the sludge production increased in France from 580 000 to 1 300 000-Ton dry matter (tDM). Besides anaerobic stabilization and mechanical dewatering, urban sludge drying is often an essential step to facilitate later management such as valorization or storage, since it reduces the amount of end material to a minimum, while eliminating most odor and pathogen problems. This stage of treatment in general involves an important energy consumption due to heat needed to evaporate water and dry sludge. With scarce exceptions, drying technologies present on the market were not developed specifically for the sludge drying but were initially used in other industrial sectors, primarily in the food industry. Thermal drying was first adopted as a solution. However, conventional thermal drying systems are technically complex requiring appreciable treatment costs while imposing important initial investments. This solution is thus adequate for wastewater treatment plans (WWTP) of important size (higher than 100.000 EH) but leaves the small and averaged size WWTP without any economically acceptable solution [HOU05]. A couple of years ago, a partial solution has been brought by the greenhouse drying process which uses solar energy and allows reaching approximately 70% dry solid content (DSC) without any thermal energy contribution, but requires important surfaces (~700m² for a sludge production of 200 T/year DM corresponding to WWTP of 10000 EH). This drying process is widely used in Germany and Australia and is known as the Thermo System Process and in France known by different names Héliocycle, Héliantis [HOR05] [BER02]. The greenhouse drying consists of spreading out sludge over the greenhouse ground and ventilating the greenhouse in order to evacuate the water vapor resulting from sludge drying. The sludge is frequently mixed for reasons of hygienisation and aeration. In spite of its ecological image and low running costs, the market of greenhouse drying is currently limited to WWTP of small size (<20,000 EH).The initial investment remains significant (about 350 to 500 €/m2 ) partly because of the civil engineering costs and also because of the auxiliary elements (sludge mixing tool and fans…). Preliminary numerical model of conventional greenhouse drying was developed to investigate the climatic conditions influence on greenhouse drying . The model is based on heat and mass balance equations solved simultaneously. The model accounts for convective heat transfer between sludge and the air movements inside the greenhouse, as well as convection on the two sides of the greenhouse walls. The share of solar flux transmitted through greenhouse walls is also modeled as well as the conductive heat exchange between the sludge and the greenhouse floor. Simulations were carried out over a year covering a whole greenhouse drying cycle, and the quantity of sludge to be dried corresponds to the WWTP annual production. Weather data of many French cities are used; in this paper the French city “Nice” is presented. Figure 4.1 illustrates the greenhouse drying performances evaluated in terms of mass of water evaporated per unit area and per day.