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Fermentation step study of a co-composting process for biological sludge located within the WWTP : diagnosis by experimental measurements and numerical modeling

Authors: Bachelart, Julie;

Fermentation step study of a co-composting process for biological sludge located within the WWTP : diagnosis by experimental measurements and numerical modeling

Abstract

To protect the environment and for health reasons, wastewaters are collected and directed to wastewater treatment plants (WWTPs) to be treated and purified before being reintroduced into the natural environment. Among the different biological sludge treatment schemes resulting from WWTPs, the composting process, which represents 36% in France, allows the production of a stabilized and hygienized substrate (or product), rich in nutrients.The work carried out in this study falls within this context by presenting a diagnosis of the fermentation step of a co-composting process for biological sludge located within the WWTP of Aureilhan (France, Hautes Pyrénées). The main objective was to guarantee a high quality compost by studying the fermentation step. The response to this main objective was obtained by undertaking a diagnosis based on two approaches: experimental and digital. Experimental measurements focused on the evaluation of the duration of the fermentation step (study performed on 19 compost piles), the over time measurement of temperatures as a function of the depth and length of the compost pile on four different compost pile (three in winter conditions and one in summer conditions), the determination of their initial humidity and the estimation of the sludge / structuring agent ratio.This experimental work showed : - optimal initial humidities for the fermentation step (between 50% and 70%) ;- a sludge / structuring agent ratio (between 1/7 and 1/4) lower than the theoretical one (1/3) ;- short fermentation times (less than 3 weeks) with regards to the recommendations (between 4 and 6 weeks) ;- temperatures in the compost pile insufficiently high to reach compost hygienization.These two last results made it possible to conclude that some compost piles did not undergo sufficient organic matter biodegradation during the fermentation step, which makes it possible to reactivate biodegradation on the maturation area not equipped with aeration and deodorization system.A 2D unsteady digital model was then performed. This model takes into account the real dimensions of the compost pile at the industrial site, the characteristics of the aeration system of the fermentation process, the weather conditions and the initial properties of the sludge/bark mixture. This model made it possible to show the significant impact of carrying out the fermentation step in a facility which is semi-open to the external environment. Indeed, a too low initial temperature of the windrow (lower than 10°C) resulting from winter conditions can strongly limit the development of microorganisms and therefore biodegradation reactions. Thermal losses are increased by winter conditions, in particular for compost pile areas close to the outside environment. The compost pile aeration speed is non-uniform and varies considerably depending on the length of the ventilation duct under the compost pile (estimated speed between 0.035 and 0.3 m.s-1), which leads to non-homogeneous operating conditions (oxygen availability, temperature), resulting in a heterogeneous organic matter biodegradation within the same compost pile.In the COVID-19 health crisis period, for which hygienization of sludge is important, results obtained in this study can give operators working in composting platforms compliant with those of Aureilhan, means of quickly identifying compost piles with a low temperature change and acting accordingly, for example by manipulating the adjustable ventilation sequences in order to ensure a good hygienization.; Pour préserver l'environnement et pour des raisons sanitaires, les eaux usées sont collectées et dirigées vers les stations d'épuration des eaux usées (STEU) afin d'être traitées et purifiées avant leur réintroduction dans le milieu naturel. Parmi les nombreuses filières de traitement des boues biologiques issues des STEU, le procédé de compostage représente en France 36% . Il permet l'obtention d'un substrat (ou produit) stabilisé, hygiénisé, et riche en éléments fertilisants. Les travaux réalisés dans le cadre de ce travail de recherche s'inscrivent dans ce contexte en présentant un diagnostic de l'étape de fermentation d'un procédé de co-compostage de boues biologiques situé au sein de la STEU d'Aureilhan (France, Hautes Pyrénées). L'objectif recherché était de garantir un compost de qualité par l'étude de l'étape de fermentation. La réponse apportée à ce principal objectif s'est concrétisée par la réalisation d'un diagnostic établi selon deux approches : expérimentale et numérique.Les mesures expérimentales ont porté sur l'évaluation de la durée de l'étape de fermentation (étude effectuée sur 19 andains), la mesure de l'évolution temporelle des températures en fonction de la profondeur et de la longueur de l'andain sur quatre andains différents (trois andains en conditions hivernales et un andain en conditions estivales), la mesure de leur humidité initiale et l'estimation du ratio boues/agent structurant. Ces mesures expérimentales ont mis en exergue : - des humidités initiales optimales pour l'étape de fermentation (entre 50% et 70%) ;- un ratio boues/agent structurant réel (entre 1/7 et 1/4) inférieur au ratio théorique (1/3) ;- des durées de fermentation faibles (inférieures à 4 semaines) au regard des recommandations (entre 4 et 6 semaines) ;- des températures au sein des andains insuffisamment élevées pour atteindre l'hygiénisation du compost.Ces deux derniers résultats ont permis d'affirmer que certains andains n'ont pas subi une biodégradation de la matière organique suffisante lors de l'étape de fermentation, ce qui rend possible une réactivation de la biodégradation sur l'aire de maturation dépourvue de système d'aération et de désodorisation. Un modèle numérique instationnaire a alors été réalisé en 2D. Il prend en compte les dimensions réelles de l'andain sur le site industriel, les caractéristiques du système d'aération du procédé de fermentation, les conditions météorologiques et les propriétés initiales du mélange boues/écorces. Ce modèle de compréhension et de prédiction a permis de montrer l'impact significatif d'une réalisation, en milieu industriel, de l'étape de fermentation dans un hangar semi-ouvert sur le milieu extérieur. En effet, une température initiale de l'andain trop faible (inférieure à 10°C) résultant de conditions météorologiques hivernales peut limiter fortement le développement des micro-organismes et donc les réactions de biodégradations. Les pertes thermiques sont de surcroit accentuées par des conditions hivernales, en particulier pour les zones de l'andain proches du milieu extérieur. La vitesse d'aération de l'andain est non uniforme et varie beaucoup en fonction de la longueur de gaine sous l'andain (vitesse estimée comprise 0,035 et 0,3 m.s-1) ce qui induit une inhomogénéité des conditions opératoires (disponibilité en oxygène, température) et donc une biodégradation de la matière organique hétérogène au sein d'un même andain.En période de crise sanitaire liée à la COVID-19 pour laquelle l'hygiénisation des boues de STEU prend tout son sens, les importants résultats obtenus lors de ce travail de recherche peuvent donner aux opérateurs, sur des sites industriels présentant des plateformes de compostage conforme à celle d'Aureilhan, des moyens de repérer rapidement les andains présentant une faible évolution de la température et d'agir en conséquence en manipulant, par exemple, les séquences réglables d'aération afin de s'assurer d'une bonne hygiénisation.

Country
France
Related Organizations
Keywords

[SPI.OTHER]Engineering Sciences [physics]/Other, Co-compostage, Modélisation, Experimental measurements, Modeling, Temperature, Boues d'épuration, Mesures expérimentales, Co-composting, Température, Sludge, Étape de fermentation

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