La compréhension du transfert gaz–liquide dans les filtres aérés biologiques, utilisés pour le traitement des eaux usées, est essentielle pour améliorer l’efficacité du transfert d’oxygène et les performances globales du procédé. Ces réacteurs comportent un lit filtrant triphasique, où se produisent la filtration et le développement du biofilm, encadré par deux zones diphasiques. Leurs performances dépendent d’interactions complexes entre les phases gazeuse, liquide et solide, qui sont mal représentées par les corrélations établies à l’échelle du réacteur, ces dernières négligeant l’hétérogénéité spatiale et les gradients de porosité au sein du lit. Il en résulte des estimations biaisées des rétentions gazeuse et liquide (εG, εL), du coefficient volumique de transfert (kLa) et du taux de transfert d’oxygène standard (SOTR). Cette thèse aborde ces limitations en caractérisant la distribution spatiale des phases gaz–liquide et sa relation avec la dynamique du transfert d’oxygène dans un biofiltre nitrifiant à l’échelle pilote.
Les travaux expérimentaux ont été réalisés dans un réacteur pilote de 6.2 m de hauteur, implanté sur la station d’épuration Seine Aval et conçu pour reproduire les conditions de fonctionnement à l’échelle réelle. Le réacteur a été instrumenté pour le suivi des profils de pression et d’oxygène dissous, complété par des analyses des phases liquide et gazeuse. Il a d’abord été exploité en eau claire afin d’établir les caractéristiques hydrodynamiques et de transfert d’oxygène de référence, puis avec un effluent prétraité pour représenter les conditions de biofiltration. Le réacteur a été divisé en deux zones gaz–liquide, et le lit filtrant a été subdivisé en sections inférieure et supérieure. La porosité du lit et les rétentions gaz–liquide ont été déduites à partir d’un bilan de pression, et les résultats ont été couplés à une approche de modélisation spatiale pour quantifier les valeurs locales de kLa et de SOTR, normalisées par le volume liquide (VL).
Avec une alimentation en eau claire, la porosité, la rétention gazeuse et le kLa étaient uniformes dans le lit. La rétention gazeuse à l’échelle du réacteur (3–5 %) était environ deux fois plus faible que celle mesurée dans le lit (5–10 %), et près de 72 % du transfert d’oxygène se produisait dans le lit, confirmant qu’il constitue la principale zone de transfert. Les corrélations à l’échelle du réacteur sous-estimaient également le kLa (5–25 h⁻¹) par rapport aux valeurs mesurées à l’échelle du lit (15–60 h⁻¹).
En conditions de biofiltration, d’importantes variations verticales de la distribution gaz–liquide ont été observées, résultant de la réduction de la porosité liée à la croissance du biofilm et à l’accumulation de particules. La porosité du lit a diminué à 12–22 % (en bas) et 20–25 % (en haut), contre 26–32 % en eau claire, tandis que la rétention gazeuse variait de 1,8 à 9,5 %. Les corrélations empiriques reliant la rétention gazeuse aux vitesses superficielles (UG, UL) et au colmatage ont permis d’améliorer la précision des prédictions. La variation non monotone de εG/εL en fonction de la porosité a révélé des dynamiques complexes d’interaction entre phases, confirmant que la porosité et l’encrassement sont d’importants facteurs influençant l’hydrodynamique gaz–liquide et le transfert d’oxygène.
La combinaison des données hydrodynamiques et de transfert d’oxygène a montré que les valeurs de SOTR/VL étaient systématiquement plus élevées en conditions de biofiltration, en lien avec l’augmentation de la turbulence et l’aire interfaciale. Ces résultats apportent des éléments d’interprétation des mécanismes d’interaction gaz–liquide au sein des biofiltres et, grâce à des corrélations empiriques affinées, soutiennent l’amélioration des modèles de transfert gaz–liquide appliqués aux procédés de biofiltration.