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Analyse de cycle de vie exergétique de systèmes de traitement des eaux résiduaires, Exergetic life cycle assessment of wastewater treatment systems

De
507 pages
Sous la direction de Marie-Noëlle Pons
Thèse soutenue le 10 décembre 2008: INPL
Au cours de cette thèse, les prévisions de la méthodologie d’Analyse de Cycle de Vie (ACV) sont améliorées, via l’exergie, pour l’analyse et l’éco-conception des procédés. Nous mettons l’accent sur le potentiel de l’analyse exergétique et de la Consommation d’Exergie Cumulée (CExC) dans l’évaluation du critère d’épuisement, de productivité et de recyclabilité des ressources naturelles. Dans ce cadre, les transferts de pollutions et les impacts environnementaux d’un système de traitement des eaux résiduaires (STEP) ont été analysés en relation avec l’exergie consommée (CExC) et de l’exergie détruite (étude a priori). L’étude montre que la décision est différente lorsque l’indicateur d’épuisement des ressources naturelles est basé sur la méthode CExC de celle basée sur la méthode CML. L’amélioration de l’éco-efficacité d’une STEP implique un recyclage des boues en agriculture. La stabilisation des boues par digestion anaérobie réduit le volume des boues et ainsi l’impact du transport en comparaison avec la stabilisation à la chaux. Toutefois, elle réduit le potentiel fertilisant des boues, d’une part, et augmente la consommation d’énergie et l’impact du réchauffement climatique à cause du traitement des retours en tête d’autre part. Bien que la valorisation du biogaz en cogénération réduise la dépendance énergétique de la STEP et améliore son éco-efficacité globale en comparaison avec le chaulage, elle n’offre pas la possibilité à un séchage des boues. Le séchage des boues constitue l’une des recommandations des agriculteurs, bien qu’il n’améliore pas le l’éco-efficacité globale de la STEP, en augmentant l’épuisement et l’exergie détruite des ressources brutes et du biogaz
-Valorisation agricole des boues
-Analyse de cycle de vie exergétique des procédés
-Eco-conception
-Valorisation du biogaz
-STEP
-Digestion anaérobie
The focus of the work has been to improve the predictions of Life Cycle Assessment (LCA) via exergy for processes analysis and eco-design. The potential of the exergetic analysis and Cumulative Exergy Consumption (CExC) in estimating the criterion of depletion, productivity and recyclability of natural resources has been investigated. In this context, the transfer of pollutants and the environmental impacts of a wastewater treatment system (WWTP) have been analyzed in relation with the consumed exergy (CExC) and the destroyed exergy. The study shows that decision is different if the indicator of depletion of natural resources is based on the method of CExC or on the CML method. The improvement of the overall eco-efficiency of a WWTP involves a recycling of sludge in agriculture. Stabilization of sludge by anaerobic digestion reduces the volume of sludge and consequently the impact of transport in comparison with the stabilization with lime. However, on one hand, it reduces the fertilizer potential of sludge. On the other hand it increases energy consumption and the impact of the global warming because of the treatment of digested sludge supernatant recycled to the WWTP. Although the recovery of biogas by cogeneration reduces the energy dependency of the WWTP and improves its overall eco-efficiency in comparison with the liming scenario, it does not provide the possibility for sludge drying. Drying the sludge is one of the recommendations of farmers, although it does not improve the overall eco-effectiveness of the WWTP, and increases the depletion and the destroyed exergy of raw resources and biogas
-Activated sludge
-Wastewater treatment plant
-Sludge farm landing
-Exergetic life cycle assessment of processes
-Anaerobic digestion
-Biogas recovery
-Eco-design
Source: http://www.theses.fr/2008INPL104N/document
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AVERTISSEMENT



Ce document est le fruit d’un long travail approuvé par le jury de
soutenance et mis à disposition de l’ensemble de la communauté
universitaire élargie.
Il est soumis à la propriété intellectuelle de l’auteur au même titre que sa
version papier. Ceci implique une obligation de citation et de
référencement lors de l’utilisation de ce document.
D’autre part, toute contrefaçon, plagiat, reproduction illicite entraîne une
poursuite pénale.

Contact SCD INPL : scdinpl@inpl-nancy.fr




LIENS




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Ecole Nationale Supérieure des Industries Chimiques
Ecole Doctorale RP2E






Analyse de cycle de vie exergétique de
systèmes de traitement des eaux résiduaires


THESE

Présentée et soutenue publiquement le 10 décembre 2008

pour l'obtention du

Doctorat de l'Institut National Polytechnique de Lorraine
(spécialité Génie des Procédés et des Produits)

par

Mehdi BELHANI






Composition du Jury

Rapporteurs J. Bourgois Professeur (Ecole des Mines, Saint-Etienne)
J.P. Steyer Directeur de Recherches (LBE INRA Narbonne)

Examinateurs T. Despierres Professeur IUT de Caen
J-N Jaubert Professeur (ENSIC INPL Nancy Université)
D. Alonso Maître de Conférences (Nancy Université)
M.N. Pons Directeur de Recherches CNRS (LSGC Nancy Université)
Laboratoire des Sciences du Génie Chimique CNRS UPR 6811


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Analyse de cycle de vie exergétique de systèmes de traitement des eaux résiduaires








































A mes très chers parents,
A Abbes,
A mes amis
A la communauté scientifique

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Analyse de cycle de vie exergétique de systèmes de traitement des eaux résiduaires
REMERCIEMENTS
Ce travail a été réalisé dans le Laboratoire des Sciences du Génie Chimique de Nancy dans le

-Noëlle Pons et Dominique Alonso pour avoir dirigé

scientifique et de .
-Noël Jaubert pour avoir accepté de présider le jury de
thèse et aux rapporteurs : Jacques Bourgois et Jean-Philippe Steyer ont fait le grand
honneur de juger ce travail.
Despierres et Jean-Noël Jaubert
pour avoir examiné avec attention ce manuscrit.
Je suis également très reconnaissant envers tous les membres du groupe GP2E et du TASC
pour leur accueil et sympathie : Denis, Nicolas, Maria, Jean-Pierre, Ahmed, Thibaut, Michel,
Isabelle
leurs amitiés et soutiens : Faouzi, Redha, Annie, Houcine, les 3 Momo, Djamel, Garmi,

mes amis de Nancy : Salim, Ryma, Samia Be, Neila, Lamia,
Abdoulaye, Meryem, Halima, Zinou,
généreuse je vous remercie pour ces années de très belles amitiés.
Je ne peux terminer ces remerciements sans témoigner de ma gratitude et à rendre hommage à
: El-Taqwa, Fateh, Hichem, Fethi 13, Billel, Farouk, Azou Babaille, de
de mon parcours.
par leur affection et leur encouragement permanents ont
réussite. Toute ma gratitude à vous, mes parents !
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Analyse de cycle de vie exergétique de systèmes de traitement des eaux résiduaires
RESUME

-conception des procédés. Nous mettons
ressources naturelles. Dans ce cadre, les transferts de pollutions et les impacts
ires (STEP) ont été analysés
étude a priori).
naturelles est basé sur la méthode CExC de celle basée sur la méthode CML.
-
agriculture. La stabilisation des boues par digestion anaérobie réduit le volume des boues et
stabilisation à la chaux. Toutefois, elle
Bien que la valorisation du biogaz en cogénération réduise la dépendance énergétique de la
STEP et améliore son éco-
recommandations -efficacité globale de la


Mots-clés : analyse de cycle de vie exergétique des procédés, boues activées, digestion
anaérobie, éco-conception, ressources renouvelables, STEP, valorisation agricole
des boues, valorisation du biogaz.



3 Analyse de cycle de vie exergétique de systèmes de traitement des eaux résiduaires
ABSTRACT

The focus of the work has been to improve the predictions of Life Cycle Assessment (LCA)
via exergy for processes analysis and eco-design. The potential of the exergetic analysis and
Cumulative Exergy Consumption (CExC) in estimating the criterion of depletion,
productivity and recyclability of natural resources has been investigated. In this context, the
transfer of pollutants and the environmental impacts of a wastewater treatment system
(WWTP) have been analyzed in relation with the consumed exergy (CExC) and the destroyed
exergy. The study shows that decision is different if the indicator of depletion of natural
resources is based on the method of CExC or on the CML method.
The improvement of the overall eco-efficiency of a WWTP involves a recycling of sludge in
agriculture. Stabilization of sludge by anaerobic digestion reduces the volume of sludge and
consequently the impact of transport in comparison with the stabilization with lime. However,
on one hand, it reduces the fertilizer potential of sludge. On the other hand it increases energy
consumption and the impact of the global warming because of the treatment of digested
sludge supernatant recycled to the WWTP. Although the recovery of biogas by cogeneration
reduces the energy dependency of the WWTP and improves its overall eco-efficiency in
comparison with the liming scenario, it does not provide the possibility for sludge drying.
Drying the sludge is one of the recommendations of farmers, although it does not improve the
overall eco-effectiveness of the WWTP, and increases the depletion and the destroyed exergy
of raw resources and biogas.

Keywords : activated sludge, anaerobic digestion, biogas recovery, eco-design, exergetic life
cycle assessment of processes, renewable resources, sludge farm landing,
wastewater treatment plant.
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