École Doctorale

ECOLE DOCTORALE
« Mécanique, Energétique, Génie Civil, Procédés »
ED 468
Vous êtes cordialement invités à la soutenance de la thèse de
Fenglin, Liang
01/12/2016 et 13h15
Amphi II, Ecole des Mines d’Albi
Caractérisation et modélisation du comportement rhéologique des boues
résiduaires urbaines concentrées
Résumé
Les grandes quantités d’eaux usées générées par l’activité humaine doivent être
traitées pour minimiser le risque sanitaire et l’impact sur les milieux récepteurs. Les
boues résiduaires sont le principal coproduit de ce traitement. Afin de les valoriser,
des transformations sont mises en œuvre dans les stations d’épuration pour réduire
leur volume et améliorer leur qualité sanitaire. Des problèmes d’écoulement et de
mottage sont fréquemment rencontrés par les opérateurs. La caractérisation du
comportement rhéologique de ce mélange hétérogène d’eau, microorganismes, fibres,
particules colloïdales et non colloïdales, polymères organiques, etc., représente
encore de nos jours un challenge scientifique et technique, en particulier lorsque la
concentration massique en solides excède 20%.
Dans ce travail, une méthodologie complète, associant mesures et modélisation, a été
développée afin de caractériser les propriétés rhéologiques, l’adhérence et la
cohésion des boues résiduaires. Elle s’adresse à des boues dont le comportement,
évalué par un test d’affaissement, s’apparente à celui d’un solide mou et elle peut être
mise en œuvre tant que le matériau n’a pas dépassé la limite de plasticité mesurée
selon un protocole adapté de la norme ASTM D 4318. Dans cette étude, elle a été
appliquée à des boues centrifugées, dont la teneur en solides était proche de 20 %.
La méthode inclut des essais mécaniques en compression uniaxiale (à très grande
déformation, à petite déformation avec un ou plusieurs cycles de charge/décharge) sur
un texturomètre de Lloyd Instruments et des essais en cisaillement réalisés sur un
dispositif spécialement conçu au laboratoire pour quantifier les propriétés adhésive et
cohésive des boues. Ces essais permettent d’identifier le seuil de fracturation du
matériau, les ordres de grandeur du module d’Young, de la viscosité et du seuil de
plasticité, la résilience, les contraintes maximales d’adhésion et de cohésion et, enfin,
les énergies d’adhésion.
Un modèle mécanique analogique a ensuite été établi. Le comportement
viscoélastique et visco-élasto-plastique des boues sous une sollicitation uniaxiale de
charge-décharge a pu être simulé par un modèle conceptuel, dit ‘Burgers-Patin’, à 8
paramètres. Ce modèle est basé sur les lois fondamentales de Hooke, de Newton et
de Ludwik pour la plasticité. L’optimisation des paramètres du modèle avec Matlab ® a
été réalisée avec une méthode de régression multiple non linéaire à plusieurs étapes.
La sensibilité de la méthode à mettre en évidence des changements de propriétés
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induits par des procédés ou par un stockage a ensuite été évaluée. Il a ainsi été mis
en évidence qu’un malaxage rend le matériau plus adhésif et plus facile à déformer,
avec une diminution du seuil et de la rigidité du matériau, et qu’un stockage rend les
boues moins cohésives et aussi plus faciles à déformer.
Mots-Clés:
Compression uniaxiale, modélisation visco-élasto-plastique, texturométrie, adhésion,
cohésion, malaxage, vieillissement
Etablissement d’inscription
Rapsodee, Ecole des Mines d’Albi
Composition du Jury:
Michel Baudu, rapporteur
Nicolas Roche, rapporteur
Martin Cyr, examinateur
Fei Wang, examinateur
Jean-Christophe Baudez, examinateur
Gilles Dusserre, invité
Martial Sauceau, invité
Patricia Arlabosse, directrice de thèse