Alors que la quantité de boues résiduaires produites à l’échelle mondiale ne cesse d’augmenter, la gestion de ces boues est désormais devenue un enjeu sociétal majeur. Dans le cadre d’une politique de développement durable, son efficacité passe nécessairement par la réduction des volumes produits (via l’optimisation des procédés de traitement) et par une meilleure valorisation. Pour cela, les procédés ainsi que les outils mis en oeuvre pour traiter puis valoriser le matériau doivent être de plus en plus performants. Les traitements étant essentiellement basés sur des écoulements, cette performance accrue nécessite la mesure et la maîtrise des caractéristiques des boues résiduaires telles que la consistance et les propriétés d’écoulement. Cependant le matériau est complexe et ses propriétés rhéologiques varient selon sa composition. Ainsi, le principal critère utilisé pour déterminer sa consistance, la teneur en matière solide, s’avère limité puisque la boue la plus consistante n’est pas nécessairement celle qui contient le plus de matière solide. Un état de l’art sur le comportement rhéologique des matériaux non-Newtoniens en général et des boues résiduaires en particulier a montré l’intérêt de s’intéresser au rôle de la matière organique et de la thixotropie dans la variabilité des propriétés rhéologiques du matériau. Dans cet objectif, une méthodologie expérimentale a d’abord été développée pour s’assurer de l’obtention de résultats fiables. Cela a permis de montrer l’influence des procédures expérimentales sur les mesures rhéologiques et de définir une procédure expérimentale robuste garantissant la répétabilité et la reproductibilité des résultats obtenus. Puis, à partir de cette procédure expérimentale, il a été montré que les effets de la thixotropie n’affectent que les propriétés solides des boues, les propriétés liquides en étant indépendantes. De plus, cette approche a permis de mettre en évidence que le comportement thixotrope est intrinsèquement lié à la matière organique contenue dans les boues : plus la matière organique est élevée, plus les boues sont thixotropes. Ensuite, à partir de la matière solide et de la proportion de matière organique contenue dans le solide, un critère plus pertinent que la teneur en matière solide a été établi pour comparer les propriétés rhéologiques entre boues d’origines différentes. Ce critère, appelé consistance équivalente, s’avère suffisant pour tenir compte de l’influence de la composition sur les propriétés rhéologiques des boues. Enfin, selon la valeur de la consistance équivalente, il a été montré que le comportement rhéologique des boues résiduaires peut être considéré comme Newtonien, non-Newtonien simple (effets thixotropes négligeables) ou non-Newtonien avec des effets thixotropes. / Sludge management is a major issue as the production is increasing year after year while the solutions to reuse it are limited. In the context of sustainable management and circular economy, treatment processes need to be well controlled to pilot operating systems. Since treatment processes are essentially based on flowing properties, improving the efficiency requires the measurement and control of sludge rheology, among which viscous properties. However, sludge is complex material and its rheological properties highly dependent of its composition. The solid content, the most usual parameter considered to evaluate rheological properties, is quite limited as sludge consistency is not directly connected to the solid content. An in-depth state of the art review on non-Newtonian materials rheology with a focus on sewage sludge has underlined the role of organic matter and thixotropy in complex fluid rheological properties. In that purpose, an experimental methodology was defined to ensure reliable results. This allowed to highlight the impact of experimental setups on rheological measurements and to define a robust experimental methodology that ensures the repeatability and the reproducibility of the measurements. Then, thanks to this experimental methodology, it has been shown that thixotropy is a solid-like characteristic, viscous properties being independent of material history. In addition, this approach has made it possible to demonstrate that the thixotropic behavior is intrinsically connected to the organic matter content: the higher the organic matter, the more thixotropic the sludge. Moreover, from the solid matter and the ratio of organic matter in the solid, a criterion (more relevant than the solid content) has been established to compare the rheological properties between sludge of different origins. This criterion, called equivalent consistency, appears to be sufficient to take into account the impact of the composition on sludge rheological properties. Finally, it has been shown that the rheological behavior of sewage sludge can be considered as Newtonian, simple non-Newtonian (with negligible thixotropic effects) or non-Newtonian with thixotropic effects depending the value of the equivalent consistency.

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 seraient produites annuellement à l’horizon 2017. Pour réduire les coûts du traitement et de la valorisation des boues qui représentent la moitié de la facture de l’assainissement collectif, l’optimisation des procédés est nécessaire. Les ingénieurs ont donc besoin d’outils permettant d’adapter le fonctionnement des technologies de traitement aux caractéristiques des matériaux. Concrètement, 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 du traitement. Celles-ci ne pouvant être déterminées en continu, l’objectif de cette thèse est de démontrer la faisabilité d’utilisation des propriétés électriques pour prédire les écoulements des boues. Au cours de ce travail de thèse, les comportements rhéologique et électrique d’une boue type ont été établis : ainsi les propriétés d’écoulement d’une boue résiduaire peuvent être décrites par un modèle d’Herschel-Bulkley modifié (de façon à prendre en compte les cisaillements très élevés) tandis que sa signature électrique pourra être représentée par un circuit équivalent de Maxwell. L’impact de paramètres majeurs comme la température et la teneur en matières sèches sur les propriétés rhéologiques et électriques des boues et sur leur corrélation a été étudié. Les résultats obtenus nous ont également permis de montrer comment la structure du matériau est liée à ces caractéristiques. Enfin, des outils spécifiques ont été mis au point, pour la mesure simultanée des propriétés électriques et rhéologiques des fluides organiques complexes. L’ensemble des résultats obtenus ouvre de nombreuses perspectives, opérationnelles et fondamentales. / Sludge management is one of the 21st century’s main issues. If the whole wastewater produced by worldwide urban population was treated, which is the ultimate goal of WHO, 83 million tons of dry matter could be annually produced until 2017. In order to reduce the costs of sludge treatment and reuse, which represent half of the collective sanitation bill, process optimization is needed. Engineers are in need of tools allowing them to adapt treatment technologies to material characteristics. More specifically, technologists need to know or to estimate sludge flow behavior, i.e. their rheological properties, at each step of the process. However, these properties can’t be continuously acquired. The purpose of this thesis is then to demonstrate the feasibility of the usage of sludge electrical properties to predict their flow. During this work, rheological and electrical behavior of one sludge type had been established: so flow properties of sludge can be described by means of a modified Herschel-Bulkley model (so that high shear rates are taken into account), whereas electrical properties can be represented by Maxwell’s equivalent circuit. Major parameters impacts, as temperature and dry matter content on sludge rheological and electrical properties and their correlation have been studied. The results we obtained allowed us to highlight the way the structure of the material is related to these properties. Finally, specific tools have been developed for simultaneous measurement of rheological and electrical properties of complex organic fluids. All the obtained results open many operational and fundamental prospects.