Transferts réactifs, rhéologie et procédés environnementaux

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Présentation

Les recherches menées dans le thème « Transferts réactifs, rhéologie et procédés environnementaux » mêlent trois items :

  • la dynamique des hydro-systèmes ;
  • le génie des procédés environnementaux ;
  • la rhéologie des fluides complexes.

Les outils méthodologiques développés sont appliqués dans le domaine des sciences de l’environnement.

Modélisation des mécanismes d’action des contaminants au sein des hydro-systèmes

La modélisation des mécanismes d’action des contaminants au sein des hydro-systèmes est une réponse à la Directive 2000/60/CE, ou « Directive Cadre sur l’Eau » définissant une politique communautaire de gestion et de protection des eaux. Son article 16 spécifie qu’il faut prendre des mesures « contre la pollution de l'eau par certains polluants ou groupes de polluants présentant un risque significatif pour ou via l'environnement aquatique, notamment des risques auxquels sont exposées les eaux utilisées pour le captage d'eau potable ».

Dans ce contexte, l’un de nos objectifs est l’optimisation des procédés de dépollution des effluents urbains (domestiques et pluviaux). Les ouvrages de dépollution que nous étudions vont des systèmes dits conventionnels aux techniques alternatives regroupant essentiellement des procédés rustiques.

Les verrous techniques et scientifiques sont d’une part la compréhension phénoménologique des processus biotiques et abiotiques au sein des hydro-systèmes et d’autre part, la compréhension de la nature des contaminants. Ainsi, le devenir des métaux lourds et des hydrocarbures aromatiques polycycliques issus des rejets urbains par temps de pluie est l’un des points focaux des recherches menées au sein du site expérimental de terrain de l’Ostwaldergraben. De même, nous nous intéressons à l’identification et la quantification des résidus médicamenteux dont les facteurs de stress induits sur la faune et la flore en sortie d’ouvrages de traitement sont encore mal connus.

Lagune et massif filtrant

Modélisation du fonctionnement des clarificateurs secondaires

L’optimisation des modèles de fonctionnement des décanteurs secondaires utilisés au sein des stations de traitements des eaux usées requiert une caractérisation expérimentale précise de la sédimentation des boues activées. Notre recherche s’attache ainsi dans un premier temps à décrire la décantation des boues par le biais d’une méthode expérimentale ultrasonore non-invasive pour la mesure des champs de vitesse et concentration. Dans un second temps, les jeux de données expérimentales ainsi acquis permettent le développement de modèles dynamiques prenant en compte la rhéologie des boues ainsi que les différents régimes de sédimentation.

Transducteurs.png

Rhéologie des fluides complexes

L’étude de la rhéologie des fluides complexes s’articule principalement autour de deux axes. Le premier concerne la caractérisation des propriétés rhéologiques de fluides complexes (à seuil et thixotropes). On étudie l’influence de différents additifs sur le comportement rhéologique de suspensions colloïdales telles que les suspensions de bentonite et les solutions de polymères. L’effet de la température sur la variation des propriétés visqueuses, élastiques, viscoélastiques, thixotropiques, physico-chimiques… est étudié.

Le second axe a pour thème la méthanisation. La technologie retenue est la biodigestion anaérobie par voie sèche. A travers cette étude, il s’agit d'optimiser la production de biogaz par une maîtrise de la composition du substrat car la nature du milieu, la taille des particules solides, le taux d'humidité, les propriétés rhéologiques (notamment la viscosité) et physico-chimiques, la variation de la température, sont autant de facteurs conditionnant la production de biogaz et sa composition.

Compétences

Pour répondre à ces problématiques, nous avons :

  • développé des modèles numériques d’écoulement et de transfert réactif au sein de filières de traitement biologique, à cultures fixées (milieu poreux variablement saturé ou libres (réacteur biologique, clarificateur, etc.) ;
  • conçu des pilotes de laboratoire dédiés à l’étude des hydro-systèmes ;
  • conduit des expériences de traçage in situ pour la caractérisation du fonctionnement d’ouvrages de traitement ;
  • élaboré de stratégies d’échantillonnages adaptées à des filières de traitement in situ intensives et extensives ;
  • développé une méthode pour l’estimation de l’évapotranspiration des plantes intégrant des mesures issues des stations météorologiques et d’un système IRGA.

Par ailleurs, un travail a été récemment démarré avec des collègues strasbourgeois du génie des procédés de polymérisation pour améliorer la modélisation et la simulation de la polymérisation radicalaire dans des réacteurs continus et discontinus. Nous avons ainsi développé un modèle analytique exact de polymérisation radicalaire prenant en compte les effets de gel et de température en réacteur fermé. Cette solution analytique a ensuite été couplée à des simulations CFD et nous avons pu tester ce modèle dans différentes configurations.

Tracage sur une noue

Moyens expérimentaux

  • PACELeS (Plateforme d’Analyse et de Conditionnement d’Echantillons Liquides et Solides)
  • Boucle rhéologique
  • Transducteurs ultrasonores
  • Granulomètre à diffraction laser
  • Rhéomètres
  • Fluorimètres de terrain
  • Sondes physico-chimiques de terrain
  • Préleveurs portables automatiques réfrigérés ou non
  • Infiltromètre à double-anneau
  • Tarière