Jérémy Olivier

Morgane Citeau

Akrama Mahmoud

Jean Vaxelaire

Eugène Vorobiev

Electrodewa- Tering

Olivier Jérémy

Citeau Morgane

Mahmoud Akrama

Vorobiev Eugène

Electrodewatering of activated and digested sludges

Keywords: électro-déshydratation, boues activées, boues digérées, toiles filtrantes electro-dewatering, activated sludge, digested sludge, filter cloth

à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d'enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.

Introduction

Le volume des boues résiduaires produites chaque année augmente du fait d'un effort croissant d'épuration des eaux. Le coût d'élimination des boues résiduaires, principalement par épandage, incinération ou enfouissement dépend directement des volumes à transporter et à traiter et donc de leur teneur en eau. Cette eau est habituellement éliminée par voie mécanique dans des centrifugeuses, des filtres à bandes ou des filtres-presses. Toutefois, les performances obtenues avec les boues résiduaires sont généralement médiocres. En effet, la teneur finale en matière sèche (siccité) des boues est alors comprise entre 15 et 35 %. La mise en oeuvre d'un séchage thermique consécutif à la déshydratation mécanique peut être envisagée mais son fort coût énergétique limite souvent son installation. Le séchage Axx-2 solaire est une solution parfois intéressante mais il reste très coûteux en temps et en superficie. Aussi, depuis plusieurs années des recherches se sont engagées pour intensifier les procédés mécaniques existants en réalisant des couplages opportuns. En ce qui concerne les boues résiduaires, l'électrodéshydratation qui consiste en l'ajout d'un champ électrique assistant la déshydratation mécanique semble être une voie très prometteuse [START_REF] Olivier | Electrical field : A historical review of its application and contributions in wastewater sludge dewatering[END_REF]. Cependant, de nombreux paramètres opératoires sont à prendre en compte pour optimiser ce procédé. Ainsi, Mahmoud et al. (2011) ont mis en évidence une augmentation considérable de la siccité finale de gâteaux de boues activées en appliquant un champ électrique à tension constante durant la phase de compression mécanique. Ils montrent par exemple que la boue peut passer d'une siccité de 13 % après pressage mécanique à plus de 55 % suite à l'ajout du champ électrique de 50 V. Ils montrent, de plus, que l'augmentation de la tension (entre 10 et 50 V) permet d'augmenter significativement la siccité finale des boues mais aussi la cinétique de déshydratation alors qu'un accroissement de pression entre 2 et 12 bar joue un faible rôle. Par ailleurs, ils montrent que la consommation énergétique pour atteindre ces siccités est croissante avec la tension appliquée mais reste largement en deçà de l'énergie théorique nécessaire pour évaporer de l'eau c'est-àdire 0,617 kWh/kg eau évaporée et reste donc bien inférieure à l'énergie consommée lors du séchage des boues (de l'ordre de 1 à 1,2 kWh/kg eau évaporée ). Ces essais à tension constante montrent que la résistance électrique du gâteau finit par augmenter jusqu'à ce que l'intensité passant à travers le gâteau soit nulle ; ce qui met fin au processus. La variation de la résistance électrique du système modifie la consommation énergétique du procédé. Il doit être possible d'optimiser cette consommation en jouant sur d'autres paramètres que la tension ou l'intensité appliquées tels que l'épaisseur du gâteau et la position des toiles filtrantes. Par exemple, si les toiles sont placées entre les électrodes et la boue, leur résistance électrique s'ajoute à celle du gâteau de boue. [START_REF] Yu | Influence of filter cloth on the cathode on the electroosmotic dewatering of activated sludge[END_REF] observent une diminution de la consommation énergétique en réduisant l'épaisseur des toiles filtrantes ou en mettant directement la boue en contact avec la cathode pour des essais d'électro-osmose (application du champ électrique sans pressage) de très courte durée (5 min) réalisés sur des couches très minces (5 mm) de boue préalablement déshydratée par centrifugation. [START_REF] Saveyn | Bench and pilot-scale sludge electrodewatering in a diaphragm filter press[END_REF] constatent également une différence de consommation énergétique en fonction du positionnement des toiles filtrantes. Tuan et [START_REF] Sillanpää | Migration of ions and organic matter during electro-dewatering of anaerobic sludge[END_REF] montrent que la diminution de l'épaisseur des boues améliore la siccité finale des gâteaux mais entraîne une élévation de la consommation énergétique. Cet article propose de compléter ces premiers résultats relatifs à l'impact de la nature, de la position et de l'écartement des toiles filtrantes en présentant des résultats obtenus sur une boue activée et une boue digérée pour deux modes de fonctionnement différents : tension ou intensité constante.

Matériel et méthode

Le pilote d'électro-filtre-presse utilisé dans cette étude est une petite chambre horizontale de 56 mm de [START_REF] Citeau | Influence of salt, pH and polyelectrolyte on the pressure electrodewatering of sewage sludge[END_REF] équipée d'un piston perméable. L'évacuation du filtrat s'effectue ainsi par les deux côtés de la chambre. La masse des filtrats récupérés coté anode et coté cathode est alors enregistrée au cours du temps. Un générateur de courant permet d'alimenter les électrodes tout en enregistrant l'évolution au cours du temps de l'intensité et de la tension. Les toiles filtrantes peuvent être placées entre la boue et les électrodes ou derrière les électrodes (Figure 1a). L'anode utilisée est une grille de titane recouverte d'une couche d'oxydes mixtes de métaux tandis que la cathode est en inox (fournies par la société ECS, Saint-Genis-Puilly, France). Les toiles filtrantes utilisées (SEFAR Fyltis 05-1001-SK025) sont en polypropylène, d'épaisseur 390 µm et d'une taille de maille de 25 µm (fournies par la société Choquenet, Chauny, France). Les boues activées proviennent de la station d'épuration de Lescar et sont conservées à 4 °C pendant une semaine maximum. Ces boues d'une siccité initiale de 0,3 % sont floculées en utilisant le polymère EM640TBD de la société SNF Floerger à la dose de 12 g Matière Active /kg MS . Les boues digérées proviennent de la station d'épuration de Cergy et sont conservées à 4 °C pendant 2 semaines maximum. Ces boues d'une siccité initiale de 2,9 % sont floculées en utilisant le polymère FO4650 de la société SNF Floerger à la dose de 20 g Matière Active /kg MS . Les polymères et les doses ont été sélectionnés après des essais d'égouttage réalisés à l'I.F.T.S [START_REF] Ginisty | New laboratory developments for sludge flocculation[END_REF]. Le polymère est mélangé à la boue pendant 20 s à 300 tr/min. La boue est ensuite ISSN 1775-335X -ISBN 2-910239-75-6, Ed. SFGP, Paris, France Axx-3 égouttée (à une siccité d'environ 9 % pour la boue activée et 11 % pour la boue digérée) puis placée (avec des masses respectivement de 70 g et 60 g) dans la chambre de l'électro-filtre-presse.

. Evolution du profil de tension en fonctionnement à une intensité constante de 0,1 A (a) et du profil d'intensité en fonctionnement à une tension constante de 50 V (b) pour des boues activées dans la configuration 1

Des essais préliminaires de pressage à 5 bar (sans champ électrique) ont été réalisés sur une durée de 2 h afin d'estimer la siccité maximale atteinte par la déshydratation mécanique et mesurer l'évolution de la masse de filtrat récupérée au cours du temps due à la seule force mécanique. Les essais d'électrodéshydratation ont été réalisés en appliquant le champ électrique après 10 min de pressage. Pour chaque essai, l'évolution de la masse de filtrat (et donc de la siccité) due au seul pressage mécanique de la boue est estimée à partir des essais de pressage mécanique seul (Figure 1b) et la masse de filtrat supplémentaire induite par l'application du champ électrique est calculée par différence avec la quantité totale de filtrat recueillie. Ce calcul permet d'exprimer l'énergie consommée par masse de filtrat supplémentaire récupéré uniquement grâce à l'application du champ électrique (kWh/kg eau suppl récupérée ). L'énergie consommée peut également être calculée par rapport à la masse de matière sèche contenue dans la boue (kWh/kg MS ).

Axx-4

Au cours de sa compression le gâteau de boue voit sa résistance électrique augmenter, ainsi en fonctionnement à intensité constante une augmentation de la tension (Figure 2a) et de la température est observée et le procédé doit être stoppé afin que les toiles filtrantes ou les joints d'étanchéité ne se dégradent pas. La tension d'arrêt a été fixée à 80 V. En fonctionnement à tension constante le processus s'arrête de lui-même, en effet dans ce cas l'intensité chute jusqu'à 0 A suite à l'augmentation de la résistance (Figure 2b). Les essais ont été réalisés 2 à 3 fois avec le même prélèvement de boues. Du fait de la variabilité des boues, pour différents prélèvements sur la même station d'épuration, les résultats ne peuvent pas être directement comparés entre eux mais des évolutions similaires ont été observées.

Résultats

Position et nature des toiles

Afin d'étudier les paramètres permettant d'optimiser le procédé d'électro-déshydratation, deux configurations de toiles ont été testées (Figure 1a) ; la configuration 1 où la boue n'est pas en contact direct avec les électrodes et pour laquelle la résistance électrique du milieu est la somme de la résistance des boues plus la résistances des deux toiles filtrantes ; la configuration 2 où la boue est en contact direct avec les électrodes et pour laquelle la résistance électrique du milieu est la résistance des boues. Les résultats, illustrés par la Figure 3, confirment le gain important de siccité grâce à l'électro-déshydratation vis-à-vis du seul pressage mécanique tout en consommant une énergie largement inférieure au séchage des boues (Tableau 1).

Tableau 1. Consommation énergétique de l'électro-déshydratation

Boues activées

Boues digérées 40 V, 5 bar 0,1 A, 5 bar 0,1 A, 5 bar Pour les deux types de boues, à intensité constante, la cinétique de déshydratation est identique pour les deux configurations (Figure 3b). Toutefois, la siccité finale (atteinte quand la tension atteint 80 V) est plus élevée pour la configuration 2 tandis que la consommation énergétique est plus basse (Tableau 1). Le procédé d'électro-déshydratation étant dépendant du flux d'électrons, le fait d'imposer l'intensité fixe la ISSN 1775-335X -ISBN 2-910239-75-6, Ed. SFGP, Paris, France Axx-5 cinétique au procédé quelle que soit la résistance du milieu. Toutefois la résistance du milieu étant plus forte dans la configuration 1, la tension limite de 80 V est atteinte plus rapidement et la siccité finale est par conséquent plus basse. En revanche, dans la configuration 2, la résistance est plus faible ce qui conduit à une énergie consommée moindre, notamment pour les boues digérées (Tableau 1). A tension constante, pour les deux types de boues considérés, la cinétique de déshydratation est fortement influencée par le positionnement des toiles (Figure 3a). Pour la configuration 2, la cinétique est beaucoup plus rapide avec par exemple une réduction de 50 % de la durée du traitement électrique (pour atteindre une siccité de 45 % avec les boues activées). La configuration 2 permet aussi d'atteindre une siccité finale plus élevée tout en consommant moins d'énergie. La différence de cinétique provient du fait que dans ce mode de fonctionnement la résistance du milieu (plus faible) impose l'intensité électrique (plus élevée) et donc la cinétique (plus rapide). La diminution de la consommation énergétique observée pour la configuration 2 confirme les résultats de Saveyn et al. (2006).

Toutefois ces auteurs mentionnent une difficulté importante pour le débâtissage du gâteau dans cette configuration, ce qui tendrait à limiter la mise en oeuvre de cette configuration à l'échelle industrielle. Lors de la présente étude, un nettoyage systématique des électrodes après le débâtissage s'est imposé pour cette configuration. Dès lors, si la mise en place industrielle de la configuration 2 n'est pas envisageable, il peut être possible de diminuer la résistance électrique des toiles en réduisant leur épaisseur [START_REF] Yu | Influence of filter cloth on the cathode on the electroosmotic dewatering of activated sludge[END_REF]. Pour ce faire, des essais ont été réalisés dans la configuration 1 avec une toile en polyamide 6.6, d'épaisseur 75 µm et de taille de maille de 1 µm (SEFAR Nitex 03-1/1). Les résultats obtenus avec ces deux toiles sont présentés sur la

Epaisseur du gâteau

Pour diminuer la résistance électrique du milieu, il est possible de jouer sur l'écartement entre les électrodes en modifiant par exemple le volume de boues traité. Des essais ont ainsi été réalisés en diminuant par deux l'épaisseur initiale de l'échantillon de boue introduit dans la cellule. Après 10 min de pressage mécanique, l'épaisseur du gâteau au moment de l'application du champ électrique est alors de 1,9 cm ou de 0,8 cm en fonction des quantités introduites (Figure 5). Les essais réalisés sur les boues activées montrent qu'à tension constante, la siccité finale est plus élevée pour le gâteau de 0,8 cm du fait d'un plus fort gradient de tension (en V/cm épaisseur ). La cinétique de déshydratation est également beaucoup plus rapide, ce qui semble confirmer une baisse de la résistance électrique (Figure 5a). Certes, la quantité de boue traitée est moitié moins importante pour le gâteau de 0,8 cm, cependant la durée du pressage pour atteindre une siccité de 35 % est beaucoup plus faible (environ un quart de celle nécessaire au pressage du gâteau de 1,9 cm) ; par conséquent il y a un réel intérêt à diminuer l'épaisseur initiale du Axx-6 gâteau. Du côté de la consommation énergétique totale, les résultats rapportés par Tuan et al. ( 2010) sont confirmés ici avec des valeurs plus importantes pour le gâteau de 0,8 cm. Cependant, quand cette consommation énergétique est rapportée au niveau de siccité atteinte, les valeurs mesurées sont quasiment identiques aux erreurs de reproductibilité près (Figure 5b).

Conclusion

Le procédé d'électro-déshydratation permet des gains de siccité importants. La consommation énergétique reste très inférieure à celle du séchage thermique notamment pour les boues activées. La position des électrodes est un paramètre pouvant influer significativement sur les performances de l'électro-déshydratation. Une configuration avec des électrodes en contact direct avec la boue est la plus favorable, aussi bien en terme de cinétique (à tension constante), que de siccité finale atteinte et de consommation énergétique. Si toutefois, cette configuration s'avère ne pas être industriellement envisageable, il est possible d'améliorer les performances en utilisant des toiles filtrantes offrant une plus faible résistance électrique. Enfin, l'épaisseur des chambres de filtration d'un filtre-presse est également un paramètre de conception capital car il fixe en partie l'épaisseur initiale du gâteau et influe de ce fait fortement sur la siccité finale atteinte.

Figure 1 .

 1 Figure 1. Configurations de l'électro-filtre-presse (a) et mise en évidence du gain de siccité par électrodéshydratation pour la configuration 1 (b)

Figure 3 .

 3 Figure 3. Evolution de la siccité des boues activées en fonctionnement à une tension constante de 40 V (a) et en fonctionnement à une intensité constante de 0,1 A (b) pour des positions de toiles filtrantes différentes

Figure 4 .Figure 4 .

 44 Figure 4. Evolution de la siccité pour des boues activées en fonctionnement à une intensité constante de 0,2 A (a) et pour des boues digérées en fonctionnement à une de tension constante 30 V (b) pour des toiles filtrantes différentes

Figure 5 .

 5 Figure 5. Evolution, pour des boues activées dans la configuration 1, de la siccité (a) et de l'énergie consommée (b)en fonctionnement à une tension constante de 50 V

Remerciements

Les auteurs remercient l'Agence Nationale de la Recherche (ANR-08-ECOT-018-004) pour son support financier (projet COTEDEM).


Ya Shpotyuk
email: yashpotyuk@gmail.com

A Ingram

O Shpotyuk

PAL spectroscopy of rare-earth doped Ga-Ge-Te/Se glasses

Keywords: chalcogenides; glasses, positron annihilation spectroscopy, defects, microstructure

Positron annihilation lifetime (PAL) spectroscopy was applied for the first time to study freevolume void evolution in chalcogenide glasses of Ga-Ge-Te/Se cut-section exemplified by glassy Ga 10 Ge 15 Te 75 and Ga 10 Ge 15 Te 72 Se 3 doped with 500 ppm of Tb 3+ or Pr 3+ . The collected PAL spectra reconstructed within two-state trapping model reveal decaying tendency in positron trapping efficiency in these glasses under rare-earth doping. This effect results in unchanged or slightly increased defectrelated lifetimes 2 at the cost of more strong decrease in I 2 intensities, as well as reduced positron trapping rate in defects and fraction of trapped positrons. Observed changes are ascribed to rare-earth activated elimination of intrinsic free volumes associated mainly with negatively-charged states of chalcogen atoms especially those neighboring with Ga-based polyhedrons.

Introduction

Chalcogenide glasses (ChG), e.g. chemical compounds of chalcogens (S, Se or Te, but not O) with some elements from IV-V groups of the Periodic table quenched from a melt state, have found widespread application in modern chalcogenide photonics [1] because of their superior transmittance in IR spectral region including both atmospheric (3-5 m and 8-12 m) and space telecommunication windows [START_REF]Chalcogenide Glasses: Preparation, Properties and Applications[END_REF][START_REF] Cui | Proc. SPIE[END_REF][START_REF] Bureau | [END_REF]. In general, this remarkable feature is caused by high-phonon frequencies typical for chalcogenide-like environment essentially overcome those in oxide media. This functionality can be further stretched by doping ChG with some rare-earth (RE) activators like Pr 3+ , Tb 3+ , Dy 3+ , Er 3+ , etc., which possess numerous radiative transitions emitting in near and mid-IR range up to 10 m thus providing advanced optical fibers for this spectral domain [5][6][7]. However, because of very low solubility in chalcogenide compounds [8][9], the ChG should be essentially modified to accommodate RE ions in electrically active functional state allowing light generation. As a rule, it can be achieved only in ChG modified by such codopants as Ga or In, which possess unique ability of charge compensation for guest RE ions embedded in host ChG matrix [5,[8][9][10][11][12]. In fact, this effect is realized owing to complicated structural changes, stretching over both atomic-specific and atomic-deficient levels, where intrinsic free-volume elements of low-electron densities (vacancies and vacancy-like clusters, their agglomerates, voids, etc.) play an important role [13][14][15]. This work is aimed to recognize how these structural changes in RE-doped ChG possessing a relatively high content of Ga additions will be accessible (if any) for positron annihilation lifetime (PAL) spectroscopy, a high-informative tool successfully applied recently to identify sub-atomistic free volumes in many glass-forming media [15][16][START_REF] Shpotyuk | Free volume in vitreous chalcogenide semiconductors: possibilities of positron annihilation lifetime study[END_REF][START_REF] Jasinska | [END_REF][19].

Experimental

Two Ga-contained ChG of Ga-Ge-Te/Se cut-section doped with 500 ppm of Tb 3+ were tested with PAL spectroscopy, they being Ga 10 Ge 15 Te 75 (one of most stable glassy alloy in Ga-Ge-Te system [20]) and Ga 10 Ge 15 Te 72 Se 3 , where some amount of Se was introduced instead of Te to form glassy alloy more stable against crystallization [21]. In the latter case, we also used the Pr 3+ ions as doping agents in the same content (500 ppm). The glassy samples were prepared by conventional meltquenching route using high-purity commercial elemental precursors Ga (7N), Se (5N), Te (6N), Ge (5N), Pr 2 Se 3 (3N) and Tb 2 Se 3 (3N). The appropriate amounts of initial elements with total weight of 25-30 g were inserted into a silica tube of 10 mm in a diameter. The ampoules were sealed under a vacuum and heated to 950°C in a rocking furnace for 1 h, after they were cooled down to 900 o C for 10 h homogenization followed by quenching into room-temperature water from 700°C. To remove mechanical strains caused by rapid quenching, the ChG samples were annealed during 5 h at 10°C below glass transition temperature. The obtained rods were cut into disks of 2 mm in thickness and polished to a high optical quality.

The prepared ChG samples were in a glassy form as it followed from absence of any sharp crystalline peaks in X-ray diffraction (XRD) patterns demonstrating only stretched amorphous halos and characteristic coinchoidal fracture on fresh cut-sections. No significant changes between optical properties of un-doped and RE-doped ChG were observed, apart from slight long-wave shift in optical transmission edge due to RE absorption close to 2 μm and absorption bands of Tb 3+ at 2.95 and 4.75 μm (transitions from ground 7 F 6 state to 7 F 4 and 7 F 5 levels, respectively) and Pr 3+ at 2.05 and 4.50 μm (transitions from ground 3 H 4 state to 3 F 2 and 3 H 5 levels, respectively) [9].

The PAL spectra were registered using fast coincidence system ORTEC of 230 ps resolution (the full width at half maximum) operated at high-stabilized normal measuring conditions (an ambient temperature of 22 o C and relative humidity of 35 %). The pairs of identical plane-parallel samples of each composition in typical sandwich geometry (covering 22 Na isotope of slow ~50 kBq activity) were employed, the contribution from a source being taken at the level of 12 % ( =0.352 ns). To ensure reliable PAL data, three independent measuring cycles each covering nearly 1 M elementary positron annihilation events were performed. The experimental results were fitted by two single exponents under normalized intensities (I 1 + I 2 = 1) using LT 9.0 program [22]. Introducing third component to fitting curve did not improve decomposition goodness significantly, the estimated input from this longlived component in the PAL spectra being less than 1 %. Fitting uncertainties in positron lifetimes 1,2 and component intensities I 1,2 were at the level of ±(0.0020-0.0040) ns and ±(0.0030-0.0050), respectively. This provides a reliable final error-bar for such ex-situ measuring protocol not worse than ±0.005 ns in lifetimes 1,2 and ±0.5 % in intensities I 1,2 . Mathematical formalism of known two-state trapping model with only one kind of positron traps [START_REF] Krause-Rehberg | Positron annihilation in semiconductors: defect studies[END_REF][START_REF] Keeble | Characterization of materials[END_REF][START_REF] Tuomisto | [END_REF][26][27] was utilized to parameterize mean av and defect-free bulk b lifetimes, as well as trapping rate in defects d . The difference between defectrelated d = 2 and bulk positron lifetimes (τ 2b ) was taken as a signature of size of positron traps in terms of equivalent number of vacancies, while τ 2 / b ratio was ascribed to the nature of these defects [START_REF] Krause-Rehberg | Positron annihilation in semiconductors: defect studies[END_REF]. The fraction of trapped positrons = 1 d participating in an annihilation was also controlled.

Results and Discussion

The typical raw PAL spectra of the studied glassy Ga 10 Ge 15 Te 75 samples, both un-doped and Tb 3+ -doped ones, reconstructed from two-component fitting at the general background of standard source contribution are shown in Fig. 1a and1b, respectively (the similar spectra were collected for other glassy alloys). These PAL spectra as typical histograms of elementary positron annihilation events are characterized by narrow peaks and regions of long fluent decaying of coincidence counts in a time. The limited values of statistical scatter of variance compactly grouped around 0-axis testify that PAL measurements were adequately described by this fitting procedure. Thus, the decaying behavior of such curve can be represented by sum of separate exponents with different time constants inversed to positron lifetimes [START_REF] Krause-Rehberg | Positron annihilation in semiconductors: defect studies[END_REF][START_REF] Keeble | Characterization of materials[END_REF][START_REF] Tuomisto | [END_REF].

The best-fit positron trapping parameters of the studied ChG calculated within two-state model [START_REF] Krause-Rehberg | Positron annihilation in semiconductors: defect studies[END_REF][START_REF] Keeble | Characterization of materials[END_REF][START_REF] Tuomisto | [END_REF][26][27] are given in Table 1. The parent Ga 10 Ge 15 Te 75 glass is characterized by quite high defectrelated positron lifetime 2 =0.365 ns and moderate intensity I 2 =0.43 reflecting positron trapping in relatively stretched free-volume defects such as multiatomic vacancy clusters [28]. With 3 at. % of Se substituted Te to produce Ga 10 Ge 15 Te 72 Se 3 glass, the positron trapping attains features character for more fragmented void structure [27]. The 1). Under a such condition, the physically realistic meaning attains only second component in the reconstructed PAL spectrum, the corresponding 2 lifetime reflecting low-electron density volumes where positrons are trapped and I 2 intensity being proportional to concentration of these traps [START_REF] Krause-Rehberg | Positron annihilation in semiconductors: defect studies[END_REF]. The defect-related positron lifetime 2 does not change with Tb 3+ doping in Ga 10 Ge 15 Te 75 ChG ( 2 =0.365 ns), but rather only slightly grows in partially Se-substituted glassy Ga 10 Ge 15 Te 72 Se 3 alloy (Table 1). The most essential growing effect in 2 lifetime from 0.346 ns to 0.356 ns is also caused in this Ga 10 Ge 15 Te 72 Se 3 ChG affected by Pr 3+ additions. At the same time, the RE doping is accompanied by considerable decrease in the I 2 intensity in both glassy Ga 10 Ge 15 Te 75 and Ga 10 Ge 15 Te 72 Se 3 , this effect reaching as high as 6 % in case of Tb 3+ -doped Ga 10 Ge 15 Te 72 Se 3 glass. Thus, the observed changes in the fitting parameters describing the reconstructed PAL-spectra correspond to obvious decaying tendency in positron trapping efficiency in the studied ChG under RE doping. This effect results in the reduction of trapping rate in defects d and fraction of trapped positrons (Table 1). Let's clarify physical meaning of this process and give its possible explanation in terms of known microstructure models developed for positron trapping in ChG [START_REF] Shpotyuk | Free volume in vitreous chalcogenide semiconductors: possibilities of positron annihilation lifetime study[END_REF][28][29][30][31][32][33][34].

It is known that positrons are captured in the ChG by extended free-volume defects localized in a vicinity of chalcogen (Ch) atoms [START_REF] Shpotyuk | Free volume in vitreous chalcogenide semiconductors: possibilities of positron annihilation lifetime study[END_REF][29][30][31]. Such positron traps are formed by atomic-accessible cores of geometrical free volumes surrounded by atomic-inaccessible shell of overlapped bond-free solid angles (BFSA), e.g. low-electron density spaces appeared due to directionality of covalent chemical bonds around Ch atoms in a glassy network [35]. In homoatomic ChG like Se or Ch-rich As/Ge-Se/Te glasses, the neutral Ch 2 0 states (the sub-and super-script stays for local coordination and electrical charge, respectively) are mostly dominant in the overall balance of positron trapping events, since As/Ge-related traps are rather ineffective in view of their repulsive potential to positrons [31].

However, in heteroatomic ChG like glassy As/Ge-Ch alloys close to stoichiometry, the positron trapping prevails on free-volume defects surrounded by overlapped BFSA, which are localized in the bottom of main glass-forming structural units (trigonal AsCh 3/2 pyramids and tetragonal GeCh 4/2 tetrahedrons). Because of significant difference in the electronegativity of anion-type Ch and cationtype As/Ge atoms [START_REF] Pauling | The nature of the chemical bond[END_REF], such defects related to local Ch 2 -configurations can be imagined as prototypes of negatively-charged vacancies like cation vacancies in crystalline counterparts of these compounds [START_REF] Krause-Rehberg | Positron annihilation in semiconductors: defect studies[END_REF][START_REF] Krause-Rehberg | [END_REF]. Correspondingly, the defect-related positron annihilation lifetimes d = 2 grow with going from glassy Se (with positron traps having preferential neutral Ch 2 0 -type shell within homoatomic chainand ring-like configurations) to stoichiometric As 2 Ch 3 (with positron traps having preferential Ch 2 -type shell in the bottom of AsCh 3/2 pyramids or GeCh 4/2 tetrahedrons), showing an obvious anomaly in respect to compositional trend in a molar volume, as it was proved experimentally [31].

To be functional in ChG, the RE dopants should occupy an active "3+" state (Tb 3+ or Pr 3+ ).

Under a condition of global electroneutrality proper to full saturation of covalent bonding in ChG networks (in respect to known 8-N rule [START_REF] Feltz | Amorphous and vitreous inorganic solids[END_REF]), this demands local inhomogeneities possessing an effective negative charge to compensate an excess of positive electrical charge of embedded RE ions.

Such inhomogeneities can be produced owing to incorporation of Ga (or alternatively In) in ChG without disturbing their glass-forming ability [8,9]. As typical metallic atoms, the Ga dopants tend to saturate their highest local coordination in respect to Ch-environment (predominantly tetrahedral coordination in glassy Ga-Ge-Te system [10,11,[START_REF] Jovari | [END_REF][40][41], obviously overcoming a full saturation of covalent chemical bonding of un-doped ChG matrix [8]. Thus, some Ch atoms occur to be poorly linked with Ga (approaching Ch ions (through Ga-Te-RE linkages [8]) are subsequently eliminated as potential positron trapping sites.

Therefore, in all cases of RE doping, the intensities of defect-related component I 2 in the reconstructed PAL spectra are sharply inhibited (see Table 1). Since all free-volume voids accommodated Ga-based tetrahedrons equally participate in this process, there are no essential shift in the averaged values of defect-related positron lifetimes 2 , which is in good harmony with our experimental data in Table 1.

Conclusions

The PAL spectroscopy was applied to study free-volume void evolution in glassy Ga

Highlights:

Positron annihilation spectroscopy to study rare-earth doping in Ga-Ge-Te/Se glasses Two-state trapping model to reconstruct experimental positron lifetime spectra Decaying tendency in positron trapping efficiency in glasses under rare-earth doping Rare-earth activated elimination of free-volume voids associated with Ga-tetrahedrons

  2 lifetime slightly decreases to 0.346 ns, while I 2 intensity shows more noticeable growing tendency to 0.52, thus resulting in more than five-times enhanced trapping rate in free-volume defects in Ga 10 Ge 15 Te 72 Se 3 glass. It is evidently seen from Fig. 1 that RE doping does not change essentially mass-center position of all positron annihilation events av. , as well as characteristic non-defect bulk positron lifetimes b of both Ga 10 Ge 15 Te 75 and Ga 10 Ge 15 Te 72 Se 3 ChG, since all changes are within statistical error-bar of positron lifetimes determination (see Table

Fig. 1 .

 1 Fig. 1. Raw PAL spectra of ChG reconstructed from two-component fitting at the general background of source contribution: a -Ga 10 Ge 15 Te 75 ; b -Ga 10 Ge 15 Te 75 doped with 500 ppm of Tb 3+ (bottom inset shows statistical scatter of variance).

  2-state), ensuring an excess of compensating negative charge for embedded RE ions. In other words, to satisfy a condition of global charge compensation within a whole glassy matrix, the positively charged RE ions act as charge-balancing cations in respect to negatively charged Ch ions linked with Ga additions. Thus, a complicated network of cycle-type formations built of Ge-and Ga-based polyhedrons (tetrahedra) showing a character topology of atomic-deficient free-volume voids is stabilized in glassy Ga 10 Ge 15 Te 75 and Ga 10 Ge 15 Te 72 Se 3 . Under a random distribution and high enough content (10 mol. %), the Ga-based tetrahedra contribute to a majority of such voids, thus enhancing positron trapping efficiency in these ChG. However, because of overall negative charge, just these free-volume voids are also effective attractors for RE dopants. So under RE doping, these voids occupied by Tb 3+ and Pr 3+

Table 1 .

 1 10 Ge 15 Te 75 and Ga 10 Ge 15 Te 72 Se 3 alloys affected by doping with 500 ppm of Tb 3+ or Pr 3+ ions. Within two-state positron trapping model, the principal effect of doping is revealed as conserving and slight increase in defect-related positron lifetimes 2 at the cost of essentially reduced I 2 intensities. The corresponding changes in positron trapping modes extracted from two-component reconstructed experimental PAL spectra are ascribed to RE activated elimination of intrinsic free-volume voids associated mainly with negatively-charged states of chalcogen atoms neighboring with Ga-based polyhedrons. Fitting parameters and positron trapping modes describing two-component reconstructed PAL spectra of RE-doped ChG alloys Ga 10 Ge 15Te 72 Se 3 0.197 0.346 0.520 0.275 0.254 1.13 0.09 1.36 0.22 Ga 10 Ge 15 Te 72 Se 3 + 500 ppm Tb 0.200 0.350 0.463 0.270 0.250 0.99 0.10 1.40 0.20 Ga 10 Ge 15 Te 72 Se 3 + 500 ppm Pr 0.203 0.356 0.481 0.277 0.256 1.02 0.10 1.39 0.21

	Glass composition, RE doping ions	Fitting parameters τ 1 τ 2 I 2 ns ns a.u.	Positron trapping modes av. b d ns ns ns -1	τ 2 -b τ 2 / b η ns --
	Ga 10 Ge 15 Te 75	0.211 0.365 0.431 0.277 0.258 0.86 0.11 1.41 0.18
	Ga 10 Ge 15 Te 75 + 500 ppm Tb	0.207 0.364 0.401 0.270 0.251 0.83 0.11 1.45 0.17

Acknowledgement

ShYa acknowledges support for this research funded by Marie-Curie Action FP7-PEOPLE-2010-ITN under the GlaCERCo project.


Olivier Jérémy
email: jeremy.olivier@univ-pau.fr

Mahmoud Akrama

Vaxelaire Jean

Conrardy Jean-Baptiste

Citeau Morgane

Vorobiev Eugène

Analyse de la consommation énergétique de l'électro-déshydratation des boues résiduaires urbaines

Keywords: électro-osmose, boues activées, boues digérées, déshydratation, filtration electro-osmosis, activated sludge, digested sludge, dewatering, filtration

L'électro-déshydratation qui consiste à appliquer un champ électrique pendant le pressage mécanique des boues résiduaires est un procédé qui permet d'augmenter considérablement les performances relativement modestes des procédés de déshydratation mécaniques classiques. Cependant, cette technique engendre un coût énergétique supplémentaire par l'utilisation d'un courant électrique. Dans cette étude, des essais à l'échelle du laboratoire ont été réalisés dans une cellule de filtration-compression pour estimer la consommation énergétique du procédé. Les résultats montrent que cette consommation énergétique dépend principalement du taux de déshydratation atteint et non de l'intensité, de la tension ou de la pression appliquée, ni de la quantité de boue introduite dans la cellule. Ceci est dû au fait que les variations de puissances électriques consommées, observées suite à des modifications des conditions opératoires, sont compensées par les variations de la cinétique de déshydratation. Ainsi, deux essais entraînant la même cinétique de déshydratation, l'un mené à intensité constante, l'autre à tension constante, montrent des profils de consommation énergétique et de puissance électrique similaires.

Introduction

Pour réduire leur volume, les boues issues des stations d'épuration urbaines doivent être déshydratées avant leur élimination ou leur valorisation. A la sortie des machines industrielles de déshydratation mécanique, la siccité des boues (ou teneur en matières sèches (MS) en kg MS /kg boues ) est généralement comprise entre 13 et 33 %. Pour augmenter cette siccité, les boues peuvent être ensuite séchées thermiquement (seule alternative industrielle actuelle). Cependant le coût du séchage thermique est assez élevé et le développement de procédés de déshydratation plus performants est une perspective intéressante. L'électro-déshydratation qui associe à la force de pressage, un champ électrique continu est actuellement le procédé hybride qui donne, à l'échelle du laboratoire, les meilleurs résultats pour les boues résiduaires urbaines (Mahmoud et al., 2013). De nombreuses études (Mahmoud et al., 2010 ;Tuan et al., 2012) montrent que la siccité des boues en fin de déshydratation est largement améliorée par l'ajout du champ électrique, avec des siccités pouvant dépasser les 60 %. Par ailleurs, ce procédé permet une hygiénisation partielle des boues (Navab Daneshmand et al., 2012). Enfin, l'énergie supplémentaire consommée par l'électro-déshydratation est plus faible que celle nécessaire au fonctionnement des procédés de séchage industriels (non solaires) habituellement utilisés (Citeau et al., 2012 ;Mahmoud et al., 2011 ;Saveyn et al., 2006). Cependant, cette énergie dépend des conditions opératoires mises en oeuvre lors de la déshydratation (valeur de la tension ou de l'intensité appliquée par exemple). Le but de cette étude est donc de préciser l'impact des différents paramètres opératoires sur la consommation énergétique lors d'une électro-déshydratation.

Outils et méthode

Boues utilisées

Deux types de boues ont été utilisés pour cette étude. Une boue activée, de siccité initiale 0,5 %, a été prélevée à la station d'épuration de . Une boue digérée anaérobie, de siccité initiale 2 %, a été prélevée à la station de Cergy-Pontoise (95). Avant leur utilisation, les boues ont été floculées avec deux polymères cationiques linéaires fournis par la société SNF Floerger ; l'un à 60 % de cationicité (pour la boue activée), l'autre à 30 % de cationicité (pour la boue digérée). Les boues floculées ont ensuite été concentrées dans une cellule d'égouttage (Olivier et al., 2004) avant d'être disposées dans la cellule d'électro-déshydratation.

Cellule d'électro-déshydratation

La cellule d'électro-déshydratation utilisée pour cette étude a été décrite par Mahmoud et al. (2011). Il s'agit d'une cellule de filtration-compression en Teflon TM , de 7 cm de diamètre intérieur comportant une électrode en titane (cathode) placée à la base du dispositif sous la toile filtrante, et une anode en titane revêtu d'une couche d'oxydes de métaux placée sur la partie du piston en contact direct avec la boue. Le filtrat qui ne peut être évacué que du coté cathode est récupéré dans un bêcher placé sur une balance. Une arrivée d'air comprimée (0 à 7 bar) permet de comprimer la boue en poussant sur le piston. Une acquisition de la masse de filtrat, de l'intensité, de la tension, de la température à l'anode et de la température du filtrat est réalisée toutes les trois secondes. 300 grammes de boues égouttées (correspondant à une charge massique de boue de 2,4 g MS /m 2 ) sont disposés dans la cellule, puis sont pressés pendant deux heures sans ajout du champ électrique afin d'obtenir la siccité maximale accessible par pressage mécanique. En conservant la même force de pressage, le champ électrique est alors appliqué au maximum pendant deux heures. Le filtrat supplémentaire récupéré pendant la deuxième étape du procédé (présence du champ électrique) est donc extrait uniquement par l'action conjointe des champs de forces mécaniques et électriques. L'énergie totale consommée peut alors être calculée, en divisant l'énergie apportée par le champ électrique (pendant toute la durée de la seconde étape) par la quantité de filtrat supplémentaire récupérée pendant cette même étape. La siccité finale du gâteau de boue est calculée en mesurant les matières sèches du gâteau obtenues après passage à l'étuve à 105 °C pendant 24 heures (Norme NF-T-90029).

Résultats et discussion

Fonctionnement à tension constante

Le champ électrique est appliqué en générant un courant de tension constante (de 10 à 50 V). Les tensions étudiées ont été de 10, 20, 30, 40 et 50 V. Avec ce mode de fonctionnement un pic d'intensité et un pic de température, d'autant plus haut que la tension appliquée est élevée, sont observés. L'extraction du filtrat s'arrête naturellement suite à la chute de l'intensité. Par ailleurs, l'augmentation de la tension entraîne une augmentation de la cinétique de déshydratation, de la siccité finale atteinte et de la consommation énergétique totale pour les boues activées (Mahmoud et al., 2011) et pour les boues digérées (figure 1a). Il y a donc une relation étroite entre la valeur de la tension, la siccité finale atteinte et la consommation énergétique totale. La figure 1b montre qu'il existe, en fait, une corrélation forte entre la siccité finale atteinte et la consommation énergétique finale qui permet de supposer que la consommation énergétique ne dépend pas de la tension mais uniquement de la siccité atteinte. Pour vérifier cette hypothèse, une consommation énergétique dite « instantanée » (E inst,0.5 ) a été calculée sur des intervalles de 0,5 points de siccité atteinte en divisant l'énergie électrique consommée (U * I * ∆t en J) pour augmenter la siccité de 0,5 points (exemple de 20 à 20,5 % de siccité) par la masse de filtrat extraite nécessaire pour élever la siccité de 0,5 points :

( ) ( ) ( ) Si q Si P m t I U Si E 5 . 0 , f 5 . 0 5 . 0 , f 5 . 0 5 . 0 , inst = ∆ ∆ × × = (1)
E inst,0.5 en J/kg est l'énergie électrique instantanée consommée, Si en % est la siccité atteinte, U en V est la tension, I en A est l'intensité, ∆t 0.5 en s est le temps nécessaire pour augmenter la siccité de 0,5 points, ∆m f,0.5 en kg est la masse de filtrat récupérée grâce au champ électrique pour augmenter la siccité de 0,5 points , P 0.5 = U * I en W est la puissance électrique consommée pour augmenter la siccité de 0,5 points et q f,0.5 en kg/s est le débit de filtrat récupéré pour augmenter la siccité de 0,5 points.

Figure 1. (a) Evolution de la siccité des boues digérées pour des essais d'électro-déshydratation menés à 4 bar et à différentes tensions, (b) évolution de la consommation énergétique totale de l'électro-déshydratation pour des boues activées et des boues digérées en fonction de la siccité finale atteinte (série d'essais menés à 4 bar et à différentes tensions)

Les profils de E inst,0.5 en fonction de la siccité ont été tracés pour différentes tensions appliquées pour les boues activées et les boues digérées. D'après la figure 2a, ces profils sont, en première approximation, confondus quelle que soit la tension appliquée. La consommation énergétique ne dépend donc pas de la valeur de la tension appliquée mais bien de la valeur de la siccité atteinte.

Figure 2. Evolution de la consommation énergétique instantanée de l'électro-déshydratation de boues activées en fonction de la siccité atteinte ;(a) essais réalisés à 4 bar avec des tensions appliquées différentes, (b) essais menés à 5 bar avec une tension appliquée de 25 V et différentes charges massiques de boue.

De l'équation 1, il est possible de déduire que l'augmentation de la puissance électrique consommée (P) due à l'application d'une tension plus élevée (qui engendre une intensité mesurée plus élevée également) est contrebalancée par l'augmentation de la cinétique (donc du débit q f,0.5 ). Pour confirmer ce résultat, des essais ont été réalisés pour une tension fixée en diminuant la charge de boue (en kg MS /m 2 ) introduite dans la cellule et donc l'épaisseur du gâteau soumis à l'électro-déshydratation. Ainsi, le champ électrique à travers le gâteau, exprimé en V/cm, a pu être modifié, d'un essai à l'autre. Les résultats obtenus par cette série d'expériences montrent qu'en diminuant l'épaisseur, l'intensité mesurée à travers le gâteau

Fonctionnement à intensité constante

Le procédé d'électro-déshydratation peut également fonctionner à intensité constante. Dans ce cas, la tension et la température augmentent de façon continue avec l'accroissement de la résistance électrique du gâteau de boue. Le procédé ne s'arrête pas naturellement, il faut le stopper pour éviter une température trop importante qui pourrait engendrer la dégradation de la toile filtrante et des électrodes. Les essais à intensité constante (ou densité de courant constante en A/m 2 ) montrent qu'une augmentation de l'intensité engendre une cinétique de déshydratation plus rapide et une tension à travers le gâteau plus forte (Olivier et al., 2011 ;Citeau et al., 2012). Par ailleurs, pour une intensité fixée, la diminution de l'épaisseur du gâteau soumis à l'électro-déshydratation (obtenu par réduction de la charge de boue introduite dans la cellule) entraîne également une cinétique de déshydratation plus rapide et une tension à travers le gâteau plus forte. La figure 3 montre que dans ces deux cas, les profils de E inst,0.5 sont identiques quelle que soit l'intensité ou la charge de boue. Ceci confirme le fait que la consommation énergétique ne dépend que de la siccité atteinte et que l'augmentation de puissance électrique est compensée par l'accélération de la cinétique. Ce résultat, confirmé à I et U constantes, indique que l'équation 1 peut servir à prédire empiriquement, à partir d'un seul essai, le profil de consommation énergétique pour d'autres conditions opératoires mais aussi la puissance consommée (P) et donc le profil de I ou U.

Comparaisons d'essais menés à U et I constantes

La question de savoir quel fonctionnement, U ou I constante, est le moins coûteux énergétiquement, n'a pas encore été complètement résolue. D'après l'équation 1, deux essais présentant la même cinétique de déshydratation (donc même q f,0.5 ) doivent avoir le même profil de puissance consommée si les profils de E inst,0.5 en fonction de la siccité sont bien identiques. Pour vérifier cela, plusieurs essais ont été menés à intensité ou tension constante afin d'obtenir des couples intensité/tension permettant d'obtenir des cinétiques de déshydratation similaires. Les couples suivants ont été déterminés pour la boue activée étudiée : 20 V et 41,6 A/m 2 ; 25 V et 62,4 A/m 2 ; et 30 V et 83,2 A/m 2 . Pour plus de clarté, seuls les résultas obtenus pour le couple 25 V et 62,4 A/m 2 sont présentés (figure 4). Des évolutions similaires ont été observées avec les deux autres couples de valeurs. La figure 4a indique une cinétique de déshydratation identique pour les deux essais jusqu'à 41 % de siccité, puis les courbes divergent. Le moment où les cinétiques divergent est représenté par une flèche noire sur la figure 4. A tension constante, la déshydratation s'arrête naturellement, la siccité tend vers une asymptote horizontale (figure 4a) et l'intensité à travers le gâteau chute de façon drastique (figure 4 b). A intensité constante, la déshydratation se poursuit (figure 4a) avec une élévation continue de la tension (figure 4c). Malgré des profils très différents de tension et d'intensité (figures 4b et 4c), la résistance électrique de la boue suit un unique profil pour les deux essais (figure 4d). Le suivi de l'évolution de la puissance électrique consommée en fonction de la siccité montre que, pour une siccité inférieure à 41 % (plage correspondant à des cinétiques de déshydratation identiques), les puissances consommées sont similaires (figure 4e). Les puissances consommées divergent quand les cinétiques divergent, ceci en raison de l'augmentation de la tension dans un cas et de la diminution de l'intensité dans l'autre cas. La figure 4f confirme que les profils de E inst,0.5 sont identiques pour les deux essais. Ce résultat renforce l'intérêt de l'équation 1 pour prédire les profils de puissance et donc la consommation énergétique du procédé.

Par ailleurs, la comparaison entre des essais à tension constante et d'autres à intensité constante amène aux commentaires suivants :

• la siccité finale atteinte ne semble dépendre que de la tension appliquée. A tension constante, si la tension augmente, la siccité finale augmente. Si l'épaisseur diminue, la siccité finale augmente (car le champ électrique exprimé en V/cm est plus important). A intensité constante, la déshydratation se poursuit, la siccité continue à augmenter car la tension augmente de façon continue. De l'eau de plus en plus difficile à extraire (eau liée aux particules solides ou bien emprisonnée dans les cellules biologiques) peut être retirée.

Conclusion

La consommation énergétique de l'électro-déshydratation des boues résiduaires urbaines ne dépend pas de l'intensité, de la tension ou de la pression appliquées, ni de la charge massique de boue à traiter mais principalement de la siccité atteinte. Ceci est dû au fait que les variations de la cinétique de déshydratation engendrées par une modification des conditions opératoires compensent les variations de la puissance électrique consommée. La consommation énergétique du procédé peut ainsi être contrôlée en maîtrisant le taux de déshydratation des boues. Par ailleurs, la déshydratation étant plus rapide aux fortes valeurs d'intensité et de tension, il semble plus intéressant de travailler à ces valeurs élevées. L'élément limitant sera cependant l'élévation de température, induite par effet Joule, qui peut dégrader la toile filtrante et les électrodes. La consommation énergétique aux faibles siccités est moindre qu'aux siccités élevées. Le procédé paraît donc énergétiquement d'autant plus avantageux (par rapport au séchage thermique) que les boues sont difficiles à déshydrater mécaniquement (siccité initiale basse). Enfin, il semblerait que la cinétique d'électro-déshydratation dépende principalement de l'intensité et de l'épaisseur des boues tandis que la siccité maximale accessible étant quant à elle principalement dépendante de la tension appliquée.

Figure 3 .

 3 Figure 3. Evolution de la consommation énergétique instantanée de l'électro-déshydratation de boues activées en fonction de la siccité atteinte ; (a) essais réalisés à 5 bar pour différentes intensités appliquées, (b) essais menés à 5 bar avec une intensité appliquée de 62,4 A/m 2 et différentes charges massiques de boue

Figure 4 .

 4 Figure 4. Comparaison de deux essais d'électro-déshydratation de boues activées menés à 5 bar, l'un avec une intensité constante de 62,4 A/m 2 , l'autre avec une tension constante de 25 V. Evolution de : (a) la siccité, (b) l'intensité, (c) la tension, (d) la résistance électrique du gâteau, (e) la puissance électrique consommée, (f) la consommation énergétique instantanée

  augmente, la cinétique de déshydratation est accélérée et la siccité finale est plus élevée ainsi que la consommation énergétique totale. La figure 2b montre, à nouveau, que les profils de E inst,0.5 sont confondus, ce qui confirme le fait que la consommation énergétique dépend de la siccité finale et que l'augmentation de puissance est contrebalancée par l'accélération de la cinétique. Des essais réalisés à différentes pressions (2-12 bar) confirment également que la consommation énergétique ne dépend pas de la pression. De ces résultats, il est possible de conclure que, pour un fonctionnement à tension constante, la consommation énergétique dépend principalement de la siccité atteinte en fonctionnant à tension constante. Aussi, le contrôle du taux de déshydratation permet de contrôler la consommation énergétique. D'après la figure2a, pour la boue activée étudiée, l'électro-déshydratation consomme moins d'énergie que les procédés de séchage thermique pour une siccité inférieure à 35 % et consomme plus d'énergie audelà de 47 % de siccité. Sur cette figure, la plage de consommation énergétique du séchage industriel des boues est représentée par une zone en pointillées entre 700 et 1300 Wh/kg eau évaporée . Dans le cas de la boue digérée étudiée, le procédé dépasse la valeur haute des procédés de séchage à partir de 59 % de siccité. Les consommations énergétiques totales pour l'électro-déshydratation (figure1) sont en général nettement en dessous des valeurs du séchage thermique, ceci est principalement dû au faible coût énergétique induit pour atteindre des siccités inférieures à 20 % (figure2). Ce niveau de siccité correspond par ailleurs aux situations pour lesquelles les plus grandes quantités d'eau sont extraites. En effet, passer de 50 à 60 % de siccité nécessite, dans le cas de l'électro-déshydratation des boues activées, un apport énergétique très important pour seulement 4 % du filtrat extrait par le champ électrique (dans les conditions des essais de l'étude). Ainsi, l'avantage en terme de coût énergétique qu'offre le procédé

	1,2 kg MS /m 2

b

[sfgp2013120158]-3 d'électro-déshydratation par rapport au séchage thermique est d'autant plus marqué que la teneur en eau de boue à traiter est grande. C'est le cas des boues difficiles à déshydrater mécaniquement pour lesquelles les siccités en fin de compression mécanique (sorties des dispositifs industriels classiques) sont inférieures à 20 %.

•

  La cinétique dépend fortement de l'intensité. A tension constante, la cinétique s'arrête suite à une chute importante de l'intensité. Par ailleurs, plus la tension est élevée, plus l'intensité mesurée à travers le gâteau est élevée et plus la cinétique est rapide. De même, en diminuant l'épaisseur des boues, l'intensité mesurée est plus importante et la cinétique s'accélère. Cela semble cohérent avec le fait que l'électro-déshydratation est un phénomène électrique donc lié à la quantité d'électrons échangés entre les électrodes et le système. La cinétique de déshydratation dépend également de la résistance électrique initiale des boues. En modifiant la charge massique en boue, la cinétique à intensité constante est modifiée. Par conséquent, si la résistance électrique initiale de la boue est trop élevée (avec par exemple une charge de boue à traiter trop importante), le procédé ne démarrera pas. Par conséquent, pour chaque boue un optimum existe entre le débit (kg MS /s) et la charge (kg MS /m 2 ) de boue à traiter.

Remerciements

Les auteurs remercient l'Agence Nationale de la Recherche (ANR-08-ECOT-018-004) pour son support financier au projet COTEDEM Références Citeau, M., Olivier, J., Mahmoud, A., Vaxelaire, J., Larue, O. et Vorobiev, E., 2012, Pressurised electro-osmotic dewatering of activated and anaerobically digested sludges: electrical variables analysis, Wat. Res., 46, 4405-4416. Mahmoud, A., Olivier, J., Vaxelaire, J. et Hoadley, A.F.A., 2010, Electrical field: a historical review of its application and contributions in wastewater sludge dewatering, Wat. Res., 44, 2381-2407. Mahmoud, A., Olivier, J., Vaxelaire, J. et Hoadley, A.F.A., 2011, Electro-dewatering of wastewater sludge: influence of the operating conditions and their interactions effects, Wat. Res., 45, 2795-2810. Mahmoud, A., Olivier, J., Vaxelaire, J. et Hoadley, A.F.A., 2013, Advances in mechanical dewatering of wastewater sludge treatment, in Wastewater Reuse and Management, Sharma S.K. and Sanghi R. Eds, Springer, 253-303. Navab Daneshmand, T., Beton, R., Hille, R.J., Gehr, R. et Frigon, D., 2012, Inactivation mechanisms of bacterial pathogen indicators during electro-dewatering of activated sludge biosolids, Wat. Res., 46, 3999-4008. Olivier, J., Citeau, M., Mahmoud, A., Vaxelaire, J. et Vorobiev, E., 2011, Etude de l'électro-déshydratation appliquée à des boues activées et des boues digérées, 13 ème congrès SFGP 2011, Lille, France. Proceed. : Récents Progrès en Génie des Procédés, n° 101. Olivier, J., Vaxelaire, J. et Ginisty, P., 2004, Gravity drainage of activated sludge: from laboratory experiments to industrial process, J. Chem. Technol. Biotechnol., 79, 461-467. Saveyn, H., Van der Meeren, P., Pauwels, G. et Timmerman, R., 2006, Bench-and pilot-scale sludge dewatering in a diaphragm filter press, Wat. Sci. Technol., 54, 53-60. Tuan, P.-A., Isosaari, P. et Sillanpää, M., 2012, Sewage sludge electro-dewatering treatment -A review, Drying Technol., 30, 691-706.

Energy consumption analysis of sewage sludge electro-dewatering

Abstract

Electro-dewatering experiments were carried out with a laboratory scale device, to analyse the energy consumption under both, a constant voltage (C.V.) and a constant current density (C.C). The results of the C.V. experiments showed a very strong correlation between the final dryness of the sludge filter-cake and the total energy consumption (kWh/kg additional water removed ). The results showed that the energy consumption depends mainly on the reached dryness. It does not significantly depend on other process parameters such as: the applied voltage, the applied current density (in A/m 2 filter surface ), the applied pressure or the initial amount of sludge. In fact, the change in electrical power consumption due to different test conditions was balanced by changes in dewatering kinetics. The comparison between two tests (one with C.V. conditions, the other with C.C. conditions) showed that the kinetics were similar when the electrical power consumption was the same.