O método de desaguamento por leitos de drenagem foi desenvolvido por Cordeiro a partir do ano de 1993 (CORDEIRO, 2001) para o desaguamento de lodos de Estações de Tratamento de Água. A sua aplicação para lodos de lagoas de estabilização de esgotos foi feita por Fontana et al. (2007). Este trabalho teve por objetivo avaliar a utilização de leitos de drenagem no desaguamento de lodos produzidos em reatores UASB. Para tanto foram realizados ensaios em laboratório, utilizando testes do tempo de drenagem, para avaliar a influência de diferentes doses e tipos de polímeros no desaguamento do lodo. Alguns geotêxteis foram utilizados como meio filtrante nos funis de Buchner e também avaliados pelo teste do tempo de drenagem. Após escolhidas a manta e o polímero que apresentaram os melhores resultados em laboratório, foram desenvolvidos ensaios em escala piloto, com a utilização de três unidades cobertas de leitos de drenagem, cada um com dimensões de 1,58 m x 1,09 m por 0,5 m de altura. Para a avaliação do efeito das diferentes doses de polímero em escala piloto, foram utilizadas doses de polímero de 0 a 8 g/kg de sólidos totais (peso seco) e mantida a taxa de aplicação de sólidos em 15 kgST/m².ciclo (a concentração de sólidos no lodo foi de aproximadamente 27 g/L). Os resultados indicaram que com doses de polímero =2 g/kgST (peso seco) obtinha-se teor de sólidos no lodo de cerca de 13% após 1 dia e 20% após 10 a 15 dias. Para se atingir teor de sólidos de 25 a 30% o período de secagem necessário foi de cerca de 30 dias. Embora que mesmo sem a aplicação de polímeros o comportamento do lodo fosse semelhante ao de lodos condicionados com polímero, em relação à evolução do teor de sólidos em função dos períodos de secagem, observou-se certa dificuldade na remoção do lodo desaguado e principalmente na limpeza das mantas geotêxteis. Para avaliar diferentes taxas de aplicação superficial de sólidos, foram ensaiadas taxas entre 9 e 22 kgST/m².ciclo. A evolução do teor de sólidos, ao longo do período de secagem dos 3 ensaios realizados, indicou que taxas mais altas de aplicação de sólidos não diminuem as velocidades de secagem, sugerindo que, inclusive, taxas mais altas poderiam ser ensaiadas. / The method of dewatering sludge through Drainage Beds was originally developed in 1993 by Cordeiro (CORDEIRO, 2001) with sludge from Water Treatment Plants. Fontana et al. (2007) used sludge from wastewater stabilization ponds with positive results. The purpose of this research is the evaluation of the drainage bed method to dewater sludge from UASB reactors. Several laboratory trials were performed, measuring drainage times to assess the influence of different polymer types and doses on sludge dewatering. Few geotextiles were used as filter on the drainage time test to evaluate their performance. Once the polymer and the geotextile that best performed in the laboratory were chosen, several pilot experiments were performed with the use of three covered units of drainage beds, each measuring 1.58m x 1.09m (width) x 0.5m (height). For the evaluation of different polymer conditioning doses on a pilot scale, doses from 0 to 8 g/kg of total solids (dry weight) were used and the applied rate of solids kept at 15 kgTS/m².cycle (the concentration of solids in the sludge was of approximately 27 g/L). Results indicated that with the use of polymer doses =2 g/kgTS (dry weight), approximately 13% of total solids in the sludge was observed after one day, which increased to approximately 20% after 15 days. To reach 25% to 30% of total solids in the sludge, the drying time required was circa 30 days. Even without the application of polymers, the behavior of sludge in terms of total solids during the drying period was similar to the sludge conditioned with polymers. Although, with the unconditioned sludge, some difficulty to remove the dewatered sludge cake was observed, mainly in cleaning of the geotextile sleeves. In order to evaluate different application rates of solids, the pilot experiments included rates between 9 and 22 kgTS/m².cycle. The behavior of the total solids in the cake during the drying period of the three experiments suggested that the higher rates of application of solids does not reduce the drying speed, indicating that higher rates can be targeted in future research projects.

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Cette thèse sinscrit dans une dynamique de recherche qui a vu le jour assez récemment dans le domaine du séchage des boues de station dépuration. Conscientes des problèmes de gestion que va entraîner laugmentation des quantités de boue produites suite à lapplication de la législation européenne, différentes équipes de recherche se sont lancées dans létude du séchage des boues. Considérant que lépandage agricole et la valorisation énergétique demeureront les principales filières délimination pour les boues, le séchage constitue, dans les deux cas, une étape essentielle après la déshydratation mécanique. Lambition de ce travail est de contribuer à améliorer les connaissances dans le domaine du séchage convectif des boues et à mieux appréhender les changements de texture qui surviennent au cours du séchage à laide de la microtomograhie à rayons X. Le chapitre I décrit le contexte général dans lequel se situe le travail, cest-à-dire lépuration des eaux usées et la production de boues qui en résulte. La place du séchage dans les différentes filières de valorisation, compte tenu des exigences de la législation européenne, est présentée. Ensuite, un état des connaissances dans le domaine du séchage des boues ainsi quune présentation des technologies de séchage actuellement mises en oeuvre sont effectués. Ce chapitre met en évidence que létat divisé de la matière se situe au cur du travail et pose les objectifs majeurs de la présente étude. Le chapitre II est consacré à la définition des notions essentielles à létude du séchage. Le concept disotherme de sorption à leau est présenté avant de passer en revue les différents types deau que lon trouve dans les boues. Les modes de transport deau pendant le séchage sont ensuite rappelés. La suite du chapitre se concentre sur la manière dont les données de séchage sont exploitées et reprend, brièvement, les progrès effectués en modélisation de la cinétique. La fin du chapitre décrit le retrait qui constitue un phénomène indissociable du séchage des matériaux déformables dont font partie les boues. Lensemble des dispositifs expérimentaux et des méthodes utilisés au long de ce travail sont décrits dans le chapitre III. Les principaux dispositifs expérimentaux sont la cellule de filtration sous pression, le système dextrusion des échantillons, le microsécheur convectif et le microtomographe à rayons X. Les méthodes décrites concernent la caractérisation des boues, la déshydratation des boues, le filtrage des courbes de séchage, lexploitation des coupes tomographiques par analyse dimages et la manière de rassembler les informations issues du séchage et de la microtomographie. Le chapitre IV est consacré au développement dune procédure de conditionnement et de déshydratation permettant dobtenir une boue déshydratée dont la siccité est la plus élevée et la plus reproductible possible. La mise au point de cette procédure permet deffectuer cette étude sur des boues réelles. Les boues sont prélevées après létape dépaississement dans deux stations dépuration gérées par lAIDE, à Retinne et à Embourg. Les gâteaux de boue obtenus sont ensuite caractérisés : les propriétés rhéologiques sont déterminées ainsi que le taux deau liée par lintermédiaire des isothermes de désorption à leau. Des essais de séchage sur des échantillons extrudés à partir du gâteau de filtration montrent que les conditions opératoires de conditionnement et de déshydratation des boues nont pas dinfluence significative sur la cinétique. La procédure de production déchantillons mise au point (conditionnement-filtration-extrusion) est utilisée dans toute la suite du travail. Tout au long du chapitre V, linfluence de trois variables opératoires (la température, la vitesse superficielle et lhumidité absolue de lair) sur le retrait, la cinétique de séchage, la fissuration et le développement de profils dhumidité au cours du séchage dextrudats de chacune des deux boues est étudiée. Pour ce faire, les données issues du microsécheur et du microtomographe sont exploitées conjointement. Une analyse multi-zones permet de relier différents phénomènes observés se produisant de manière simultanée. Le développement de résistances intragranulaires au transfert, lapparition de gradients dhumidité à la paroi et le phénomène de fissuration sont en effet liés. Le chapitre VI aborde une caractérisation plus détaillée de la texture des échantillons, principalement dans leur état séché. À cet effet, des techniques telles la microscopie électronique à balayage, la mesure des isothermes dadsorption-désorption dazote et la porosimétrie au mercure sont utilisées en plus de la microtomographie. Le travail se termine par une conclusion rassemblant lensemble des résultats et par lénoncé de perspectives qui pourraient constituer une suite intéressante à cette étude. This thesis comes within a recent research dynamic in the field of sludge drying, according to European requirements concerning urban wastewater treatment and landfilling of biodegradable materials. Considering landspreading and utilization for energy purposes as the two major issues to eliminate sludges, drying constitutes, in both cases, an essential step after mechanical dewatering. Despite obvious economic, industrial and environmental interests, rather few studies have been devoted to wastewater sludge drying till lately. This work aims to improve the knowledge in the field of sludge drying and to better apprehend the textural changes that occur during drying by using X-ray microtomography. A first part of the work is dedicated to the development of a method allowing the production of sludge samples with a reproducible dryness, in order to realize the study on real sludges. Sludges are collected after secondary settling and thickening in two domestic wastewater treatment plants near university. Conditioning and mechanical dewatering are realized in the laboratory. Filtration cakes are characterized by different techniques : rheology, sorption isotherms, Rheological measurements indicate that, for a same sludge, elastic and viscous modulus only depends on the cake dryness. Drying experiments performed on individual cylindrical extrudates obtained from the cake show that operating conditions used for conditioning (polyelectrolyte dose) and dewatering (filtration pressure drop) have no significant influence on drying kinetics. The next part of the work shows that X-ray microtomography, despite this technique is still few used in chemical engineering, is a choice tool to follow the textural changes of individual samples submitted to convective drying. Contrary to methods traditionally or newly used (caliper, volume displacement methods, NMR,), X-ray microtomography is a non destructive, accurate and easy to use technique. The analysis of the images obtained by microtomography allows quantifying the shrinkage of the sample, the cracks and the moisture gradients at the sample wall at successive drying levels. The study of the influence of three operating variables (temperature, superficial velocity and absolute humidity of air) on the shrinkage, the development of cracks and moisture gradients is performed in a convective microdryer specially designed in the laboratory. Extragranular heat and mass transfer coefficients, intragranular diffusion coefficient and the water evaporation capacity are estimated from experimental data. A multi-zone analysis proposes to relate the different phenomena observed. Moisture gradients are induced by internal diffusional limitations and cause mechanical stresses. Cracks appear when mechanical stress exceeds the breakage level. Results show clearly that the crack extent depends on the value of the moisture gradients. The last part of the work deals with a detailed textural characterization of the dried samples. Several characterization techniques (scanning electron microscopy, mercury porosimetry, analysis of N2 adsorption-desorption isotherms, X-ray microtomography) show that the two sludges considered in the study present very different final textures. 3D images and binary images of cross sections indicate, among others, that the cracks developed during drying have different shapes and configurations. Morphological analysis of these cracks gives some ideas about the way cracks develop and brings to the fore a relation between texture and drying kinetics. Although the presence of cracks is not of the highest importance for the final quality of dried sludges, the methodology developed in this thesis can be applied to a large variety of other soft materials (food, ceramics,) for which crack formation has to be avoided because it impairs the final quality of the dried material. In the future, a fully coupled thermo-hydro-mechanical model will be implemented in a Finite Element code to quantify the evolution of the stress tensor versus the drying level especially at the onset of cracks formation. Results obtained in this thesis will allow validating the model.

Les boues de stations d’épurations sont un combustible difficile à valoriser par voie thermochimique à cause des fortes teneurs en eau, en azote et en fraction minérale. La co-gazéification avec d’autres gisements pourrait apporter une solution à ces contraintes. Afin d’étudier la faisabilité de ce procédé, un pilote industriel de de co-gazéification en lit fluidisé bouillonnant est conçu.Six co-combustibles potentiels ont été présélectionnés, à partir d’un large panel de gisements issus de la région PACA. La démarche expérimentale de ce travail concerne trois volets principaux qui consistent à :I. Etudier la faisabilité technique de co-gazéification à l’échelle laboratoire en vue de déterminer quel co-combustible est apte à compenser les faiblesses que présentent les boues.II. Contribuer à la définition des conditions opératoires de co-gazéification en lit fluidisé bouillonnant.III. Etudier le comportement en fluidisation des gisements sélectionné dans une maquette à température ambiante en mélange avec du sable.Les résultats indiquent que les tous les gisements retenus sont apte à être valorisés par co-gazéification. L’aptitude à la fluidisation des combustibles seuls est médiocre, l’utilisation de sable permet de l’améliorer. Un critère prédictif de la capacité maximale des lits fluidisés à contenir des déchets a été développé, une corrélation prédictive de la vitesse minimale de fluidisation de mélanges dissimilaires est également proposée. La teneur en combustible ne doit pas excéder les 10% en masse pour garantir une fluidisation correcte. Une vitesse de trois fois la vitesse minimale de fluidisation de l’inerte est la limite basse qui garantit un bon mélange. / The wastewater sludge composition (moisture, nitrogen and mineral matter content) leads to difficulties in disposal by thermochemical way. Co-gasification with other feedstock can improve the quality of the raw fuel gasification. In order to study the technical feasibility of wastewater sludge with other feedstock co-gasification, an industrial pilot scale bubbling fluidised bed co-gasifier is designed.Six potential co-feedstocks were preselected on technical and economic criteria, from a wide range of fields from the PACA region. The experimental approach of this work involves three main steps which are:I. The technical feasibility of co-gasification at laboratory scale, in order to identify which feedstock is able to compensate the sludge weaknesses.II. Identification of co-gasification conditions in fluidised bedIII. Cold fluidization ability study of the different feedstock blended with sand.The results indicate that all feedstock are recoverable through gasification. The fluidization ability of the fuel alone was poor, the blinding with sand improve it. A prediction criteria for the maximum capacity of fluidised bed of sand to improve the fluidization ability of waste is developed. A new correlation for minimum fluidization velocity is introduced. To obtain a correct fluidization the fuel concentration should be fixed below 10% by weight. The fluidization velocity should be fixed above three times sand minimum fluidization velocity to obtain a mixed bed.