Comparaison des approches systémique, mécanique des fluides numérique et compartimentale pour la modélisation des réacteurs : application à un réacteur canal à boues activées, Comparison between systemic, computational fluids dynamic and compartmental approaches for reactor modelling : application to an activated sludge wastewater treatment channel reactor

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Sous la direction de Jean-Pierre Leclerc, Olivier Potier
Thèse soutenue le 29 octobre 2008: INPL
L'objectif de ce travail est de comparer les approches systémique, mécanique des fluides numérique (MFN) et compartimentale, une approche de modélisation en émergence basée sur l'exploitation quantitative de simulations de MFN pour construire le modèle. Une méthodologie de construction d'un tel modèle à compartiments est explicitée. Ces différentes approches de modélisation ont été appliquées au cas d'un réacteur pilote de traitement des eaux usées à boues activées : un réacteur triphasique (gaz/liquide/flocs), siège de réactions biologiques complexes. Le modèle hydrodynamique MFN a été validé par des mesures de champs de vitesse et de turbulence, réalisées par Vélocimétrie Laser Doppler ainsi que par des mesures de taux de vide réalisées à l'aide d'une sonde optique. L'hydrodynamique globale du réacteur est bien modélisée par un modèle piston à dispersion axiale et la MFN représente bien le comportement du réacteur. Des expériences sur réacteur pilote chargé en biomasse et alimenté par un substrat synthétique à base de Viandox ont été menées. La modélisation des réactions biologiques a été faite par le modèle ASM1 développé par l'IWA. Les modèles systémique et MFN permettent d'estimer l'évolution de la plupart des concentrations dans le réacteur avec moins de 25 % d'erreur. Des différences entre les deux modèles sont néanmoins observées. Il s'avère que le modèle à compartiment donne des résultats très similaires au modèle MFN pour un temps de calcul de 10 à 20 fois moindre. De plus ce modèle est presque aussi facile à manipuler qu'un modèle systémique et permet une meilleure compréhension des phénomènes mis en jeu dans le réacteur qu'avec un modèle MFN
-Traitement des eaux
-Approche à compartiment
-Mécanique des fluides numérique
-Modélisation
The purpose of this work is the comparison of the systemic, computational fluid dynamics (CFD) and compartmental approaches. This last approach is a new method of model construction based on the quantitative results of a CFD simulation. A methodology to build such a model is described. These three modelisation approaches have been used to model a bench scale activated sludge wastewater treatment reactor : a complex biological tree-phase reactor (gas/liquid/floc). The CFD modelling has been validated with velocity and turbulence fields, obtained with laser doppler velocimétry and with void fraction measurements obtained with an optical probe. The global hydrodynamics of the reactor is well represented by a plug flow model with axial dispersion. This behaviour is well represented by CFD simulation of residence time distribution. Experiments on the bench scale activated sludge reactor fed with a synthetic substrate primarily composed of Viandox have been carried out. Biological reactions have been modelled by the ASM1 model developped by IWA. Evolution of almost all the concentrations along the reactor are simulated with a maximum error of 25 \% with systemic and CFD models. Some differences are highlighted between these two models. The compartmental model gives almost the same results as the CFD model with a calculation time from 10 to 20 times shorter. Moreover this compartment model is as easy to handle as the sytemic model and allows a better understanding of the phenomena which take place in the reactor than the CFD model
-Wastewater treatment
-Compartmental approach
-Computational fluids dynamic
-Modelling
Source: http://www.theses.fr/2008INPL053N/document

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Institut National Polytechnique de Lorraine
Ecole doctorale RP2E
Comparaison des approches
systemique, mecanique des uides
numerique et compartimentale pour la
modelisation des reacteurs : application
a un reacteur canal a boues activees
THESE
soutenance prevue le 29 octobre 2008
pour l’obtention du
Doctorat de l’Institut National Polytechnique de Lorraine
(specialite genie des procedes et des produits)
par
Yann Le Moullec
Composition du jury
Rapporteurs : Christophe Dagot
Alain Line
Examinateurs : Jean Claude Charpentier
Caroline Gentric
Jean Pierre Leclerc
Olivier Potier
Daniel Schweich
Jean Marc Schweitzer
Laboratoire des Sciences du Genie Chimique | UPR 68112Remerciements
Je remercie Michel Sardin, directeur du LSGC, pour m’avoir accueilli au sein de son la-
boratoire et permis d’y dØvelopper ce travail de thŁse.
Je remercie tout particuliŁrement mon Øquipe d’encadrants de thŁse pour leur gentillesse,
leur comprØhension, leur expØrience et le temps qu’ils m’ont accordØ... pas seulement pour
l’avancement de la thŁse et notamment :
Jean Pierre Leclerc, mon directeur de thŁse, pour m’avoir fait partager son expØrience
du dØroulement d’un travail de recherche, pour la motivation qu’il m’a transmise tout au
long de ce travail, pour m’avoir recadrØ quand je m’Øgarais sur des sentiers sans retour et
pour m’avoir laissØ aller dØfendre mon travail au Japon.
Olivier Potier, pour son aide à la comprØhension des subtilitØs du procØdØ de traitement
des eaux usØes à boues activØes, ses nombreux projets auxquels il m’a fait participer et
ses (trop) nombreuses idØes à dØvelopper pour cette thŁse dont nous sommes encore loin
d’avoir fait le tour - je suis de tout c ur avec ses futurs thØsards.
Caroline Gentric, pour ses conseils ØclairØs en matiŁre de mØcanique des uides numØrique
et notamment du mailleur (GAMBIT), les longues discussions sur la comprØhension des
modŁles (pas toujours Øvidents), pour ses corrections sans concession des articles et du
manuscrit de thŁse et aussi pour m’avoir autorisØ à utiliser sa prØcieuse bi-sonde optique.
Je remercie aussi Michel Charpentier d’avoir prØsidØ le jury qui a ØvaluØ ce travail.
Je tiens à remercier mes deux rapporteurs :
Christophe Dagot, pour avoir eu un avis de spØcialiste de traitement de l’eau, le seul du
jury, qui a permis de s’assurer que nous ne nous Øtions pas trop ØloignØs de l’objet d’Øtude
initial. Cela a donnØ plus de consistance à ce travail de thŁse et, l aussi, plus de rigueur
au manuscript.
Alain LinØ, pour toute les remarques qu’il m’a faites lors de nos rencontres à propos de
la mØcanique des uides numØrique, le temps qu’il a dß passer pour Øvaluer ce travail et
pour la rigueur qu’il a contribuØ à instiller dans le manuscript de thŁse.
Je tiens aussi à remercier les examinateurs qui ont bien voulu faire partie du jury :
Daniel Schweich, pour avoir fait partie du jury et avoir par ses remarques et ses questions
enrichi ce travail de thŁse.
Sophie Jullian, de l’IFP, pour avoir acceptØ d’Øvaluer ce travail mŒme si elle n’a, au nal,
pas pß venir et
Jean Marc Schweitzer, toujours de l’IFP, pour l’avoir remplacØe au dernier moment et
avoir apportØ la vision d’un industriel à l’intØrŒt que peut avoir ce travail. J’ai ØtØ bien
surpris de retrouver le chairman de ma session de l’ISCRE dans mon jury, cinq semaines
3plus tard.
En n, arrive une plØthore de personnes qui ont contribuØ plus ou moins directement à ce
travail. Je les remercie toutes, dans le dØsordre :
Marie Noºlle Pons, pour avoir partagØ une partie de son expØrience du traitement de l’eau
en gØnØral et de la conduite d’un pilote de rØacteur à boues activØes en particulier, je suis
persuadØ que cela m’a fait gagner de nombreux mois gr ce à ses conseils avisØs.
Jean Noºl Louvet, pour toute les informations expØrimentales qu’il a pu me transmettre
et pour m’avoir sensibilisØ à la complexitØ expØrimentale induite par le travail sur les
rØacteurs des traitements des eaux usØes qu’en tant que modØlisateur je m’Øtais e orcØ de
faire dispara tre.
Benoit Fiers (mesure de LDV) et IrŁne Rodriguez (respiromØtrie) pour leur trŁs bon travail
rØalisØ pendant leur stage de master 2 qui m’ont permis d’avance plus vite.
Laurent Falk, Edouard Plasari, Abderazak Lati , HervØ Muhr pour leurs conseils ainsi
que les avis et connaissances qui ont pu enrichir ce travail.
Gislain Genin, pour m’avoir donnØ la solution à mon plus gros problŁme d’udf FLUENT.
Roda Bounaceur, pour m’avoir consacrØ du temps alors que j’Øtais perdu dans le code
DDASSL et dans tellement d’autres problŁmes.
Tudi Le Bleis du GSI (Gesellschaft f r Schwerionenforschung mbH) à Darmstadt (Al-
lemagne), pour son aide inestimable lors de l’Ølaboration de ce document LateX et sa
patience devant mon incompØtence dans le domaine.
Olivier Authier, HØlŁne Gueniot, Coralie Desgranges pour avoir relu attentivement ce ma-
nuscrit et contribuØ à l’amØliorer signi cativ ement.
Sophie Rabeau, l’Øquipe de PROGEPI, actuelle et passØe (HØlŁne, Ana s, Marie, Arnaud,
Guillaume, Coralie, GØrard et Sophie (le boss)), l’Øquipe GREATER (Jean Philippe, Oli-
vier, Mazzen, Pierre, Guillain et les autres) ete ETRE pour m’avoir supportØ et
pour l’ambiance qu’ils ont apportØ au laboratoire.
Toute l’Øquipe de l’atelier du LSGC et plus particuliŁrement Pascal Beaurain et Vincent
Blanchard pour avoir construit le rØacteur, le dØcanteur et avoir rØalisØ les multiples
ajustements nØcessaires à leur bon fonctionnement, et ce, dans des dØlais trØs courts.
StØphane AndrØ (EEIGM) et Olivier Chery (ENSGSI) pour m’avoir permis de me confron-
ter au monde de l’enseignement et m’avoir fait con ance pour assurer leur travaux dirigØs.
FrØdØrique Battin-Leclerc (DCPR) pour m’avoir permis de travailler e ectiv ement en tant
que doctorant-conseil via PROGEPI pour Air-Liquide malgrØ un sujet qui n’avait que peu
de rapport avec mes compØtences. PROGEPI pour m’avoir fait con ance pour amØliorer
la version existante du logiciel Cyclone...travail sur lequel je dois encore passer quelques
heures...
4Ma mŁre qui a eu l’ambition de corriger l’orthographe de ce manuscript, mais les dØlais
Øtant ce qu’ils sont, n’en a pas eu le temps. Je la remercie aussi pour le soutien qu’elle
m’a accordØ.
Je remercie, en n, au hasard, tout ceux que j’aurais pu oublier.
Voil , cela fait beaucoup de monde mais ce n’est que du beau monde qui justi e largement
ces trois pages. Merci à tous.
56RØsumØ
L’objectif de ce travail est de comparer les approches systØmique, mØcanique des uides
numØrique (MFN) et compartimentale, uneche de modØlisation en Ømergence basØe
sur l’exploitation quantitative de simulations de MFN pour construire le modŁle. Une mØ-
thodologie de construction d’un tel modŁle à compartiments est explicitØe. Ces di Øren tes
approches de modØlisation ont ØtØ appliquØes au cas d’un rØacteur pilote de traitement des
eaux usØes à boues activØes : un rØacteur triphasique (gaz/liquide/ o cs), siŁge de rØactions
biologiques complexes. Le modŁle hydrodynamique MFN a ØtØ validØ par des mesures de
champs de vitesse et de turbulence, rØalisØes par VØlocimØtrie Laser Doppler ainsi que
par des mesures de taux de vide rØalisØes à l’aide d’une sonde optique. L’hydrodynamique
globale du rØacteur est bien modØlisØe par un modŁle piston à dispersion axiale et la MFN
reprØsente bien le comportement du rØacteur. Des expØriences sur rØacteur pilote chargØ
en biomasse et alimentØ par un substrat synthØtique à base de Viandox ont ØtØ menØes.
La modØlisation des rØactions biologiques a ØtØ faite par le modŁle ASM1 dØveloppØ par
l’IWA. Les modŁles systØmique et MFN permettent d’estimer l’Øvolution de la plupart des
concentrations dans le rØacteur avec moins de 25 % d’erreur. Des di Ørences entre les deux
modŁles sont nØanmoins observØes. Il s’avŁre que le modŁle à compartiment donne des rØ-
sultats trŁs similaires au modŁle MFN pour un temps de calcul de 10 à 20 fois moindre.
De plus ce modŁle est presque aussi facile à manipuler qu’un modŁle systØmique et per-
met une meilleure comprØhension des phØnomŁnes mis en jeu dans le rØacteur qu’avec un
modŁle MFN.
Mots clØ :
Traitement des eaux, modØlisation, mØcanique des uides numØrique, approche à compar-
timent
7Comparison between systemic, computational uids dynamic and
compartmental approches for reactor modelling : application to an activated
sludge wastewater treatment channel reactor
Abstract
The purpose of this work is the comparison of the systemic, computational uid dyna-
mics (CFD) and compartmental approaches. This last approach is a new method of model
construction based on the quantitative results of a CFD simulation. Adology to
build such a model is described. These three modelisation approaches have been used to
model a bench scale activated sludge wastewater treatment reactor : a complex biological
tree-phase reactor (gas/liquid/ o c). The CFD modelling has been validated with velo-
city and turbulence elds, obtained with laser doppler velocimØtry and with void fraction
measurements obtained with an optical probe. The global hydrodynamics of the reactor
is well represented by a plug o w model with axial dispersion. This behaviour is well
represented by CFD simulation of residence time distribution. Experiments on the bench
scale activated sludge reactor fed with a synthetic substrate primarily composed of Vian-
dox have been carried out. Biological reactions have been modelled by the ASM1 model
developped by IWA. Evolution of almost all the concentrations along the reactor are simu-
lated with a maximum error of 25 % with systemic and CFD models. Some di erences are
highlighted between these two models. The compartmental model gives almost the same
results as the CFD model with a calculation time from 10 to 20 times shorter. Moreover
this compartment model is as easy to handle as the sytemic model and allows a better
understanding of the phenomena which take place in the reactor than the CFD model.
Keywords :
Wastewater treatment, modelling, computational uids dynamic, compartmental approach
8Table des matiŁres
Liste des illustrations 13
Liste des tableaux 19
Nomenclature 21
Introduction 27
1 Hydrodynamique du rØacteur pilote en eau claire 35
1.1 Montage expØrimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.2 Etude de l’hydrodynamique locale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.2.1 Mesure expØrimentale des champs de vitesse . . . . . . . . . . . . . 37
1.2.2 Simulation par mØcanique des uides numØrique . . . . . . . . . . . 39
1.2.3 Comparaison entre expØrience et simulation . . . . . . . . . . . . . 47
1.3 Etude de l’hydrodynamique globale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
1.3.1 Mesure des distributions de temps de sØjour . . . . . . . . . . . . . 53
1.3.2 ModŁles systØmiques pour les distributions de temps de sØjour . . . 53
1.3.3 Techniques de simulation des DTS par MFN . . . . . . . . . . . . . 56
1.3.4 Comparaison entre expØrience et simulation . . . . . . . . . . . . . 59
1.3.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
1.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2 Mesures et expØriences sur le rØacteur de traitement des eaux 69
2.1 Montage expØrimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.1.1 Description du montage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.1.2 Choix des paramŁtres de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.2 MatØriel et mØthodes de mesure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
2.2.1 Mesure de la pollution et de la biomasse . . . . . . . . . . . . . . . 73
2.2.2 Mesure du k a du rØacteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76L
2.2.3 RespiromØtrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
2.3 ExpØriences sur le rØacteur pilote . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
9