Thermodynamic Analysis and Mathematic Modeling of Waste Sludge from Drinking Water Treatment Plants

Water treatment annually produces a huge amount of Drinking Water Treatment Sludge (DWTS) wastes. The latter causes environmental problems in Morocco in terms of energy and pollution. Therefore, cost-effective and eco-friendly solutions for managing them should be proposed in order to reduce the frequency of storage along with transportation costs. In this paper, a thermodynamic analysis of DWTS wastes was conducted based on the isosteric heat and compensation theory. Different results concerning the mineralogical identification of sludges were established. Findings revealed that the by-product of water purification was mainly composed of aluminum, silica and iron hydroxides, with pH varying between 6.23 and 6.85. The suspended matter was between 18.3 and 19.6 m/l. The volatile matter of the three sludge samples was between 18 and 21%. The measured dry matter content was between 13.41 and 15.23%. The experimental tests were performed under temperatures from 45 and 60 °C, the experimental data of the sorption curves were fitted by using several models of correlation. Furthermore, the analysis showed that the Peleg’s model perfectly described the isotherm curves in the activities ranging from 0 to 90%. The net isosteric heats of sorption of the three hydroxide sludge from the Moroccan treatment station: $S_k$, $S_m$ and $S_s$, were determined for desorption and adsorption. Moreover, it was revealed that the equilibrium water content rising lead contributed to the reduction of the net isosteric heat and the entropy of sorption. Finally, the enthalpy-entropy compensation showed that the sorption mechanism involved was enthalpy driven

Mechanical characterization of hydroxide sludge

peer reviewedIntroduction Le processus de traitement de l'eau potable génère une grande quantité d'un sous-produit pâteux, la boue hydroxyde (BH). La gestion des BH est un défi majeur en raison de l'augmentation des volumes, en plus de la menace potentielle pour l'environnement et des problèmes aigus d’élimination. Uniquement dans l'usine de production d'eau potable de Marrakech (Maroc) 55 tonnes par jour de BH sont générées (Fantasse et al., 2020). La prédiction précise du comportement hydrodynamique des boues est nécessaire pour le calcul, la conception, la mise en service et le bon fonctionnement de différents équipements, tels que pompes, sécheurs, systèmes de filtration, échangeurs de chaleur, systèmes de mélange, entre autres. Prédire le comportement hydrodynamique des BH nécessite une connaissance précise des caractéristiques mécaniques (y compris rhéologiques) (Eshtiaghi et al., 2013). Méthodologie Les échantillons de boue ont été prélevés dans les bassins de stockage des boues de la station d'épuration de Marrakech. Les échantillons ont été stockés à 4°C pendant le temps de caractérisation. Le comportement rhéologique des boues a été mesuré à l'aide d'un rhéomètre rotatif MCR302e (Anton Paar, Graz, Autriche) équipé d'une géométrie à plaques parallèles dentelées de 50 mm de diamètre. L'équipement a été contrôlé avec le logiciel Rheocompas 1.30. Toutes les mesures ont été effectuées à une température contrôlée de 20°C. Les mesures ont été fait avec un entrefer de 1 mm et un taux de cisaillement (gradient de cisaillement) en rampe logarithmique compris entre 0,01 et 100 s-1, 10 points par décade ont été mesurés. Résultats La BH a établi une relation non linéaire entre la contrainte de cisaillement et le taux de cisaillement. Les changements dans la courbe d'écoulement (Figure 1 (a)) sont liés à différents changements structurels dans DWTS pendant le processus de cisaillement. Dans ce graphique, trois régions peuvent être identifiées : la région 1 représente la limite d'élasticité. Le contrainte seuil a été obtenu en appliquant un zoom à de faibles taux de cisaillement. La région 2 représente la région d'écoulement intermédiaire qui décrit la structure induite par le cisaillement et enfin la région 3 représente la fonction d'écoulement dans la région de cisaillement élevé, où la contrainte de cisaillement a augmenté non-linéairement avec le taux de cisaillement indiquant un comportement fluide non newtonien (Markis et al., 2014). La viscosité apparente du DWTS au début de l'essai (réduit les taux de cisaillement) chute considérablement, puis tend vers une valeur relativement constante (taux de cisaillement les plus élevés) (Figure 1 (b). Au cours de ce processus, les boues ont tendance à être moins visqueuses, démontrant un comportement rhéofluidifiant (pseudo plastique). La courbe d'écoulement expérimentale a été ajustée à deux modèles rhéologiques différents couramment utilisés pour décrire les matériaux pâteux. Le tableau 1 contient les résultats de l'ajustement des données expérimentales. Conclusion Ce travail nous prouvons que le DWTS est un fluide rhéofluidifiant (pseudo plastique), qui pour les contraintes de cisaillement sous la limite d'élasticité, le matériau reste comme un solide viscoélastique et pour les contraintes supérieures à la limite d'élasticité, la boue se comporte comme un fluide à limite d'élasticité. Cela peut être modélisé à l'aide des modèles Windhab ou Herschel-Bulkley sur une large gamme de taux de cisaillement.T.0159.20-PD

Comportement rhéologique et caractérisation des boues de traitement d'eau potable du Maroc

peer reviewedDrinking water treatment generates a high amount of pasty by-product known as drinking water treatment sludge (DWTS). The chemical composition, microstructure and rheological behavior of DWTS are of utmost importance in the calculation, design, optimization, commissioning and control of its treatment processes. The purpose of this research was to characterize the DWTS from the drinking water treatment plant of Marrakech (Morocco), aiming to help future researchers and engineers in predicting its hydrodynamic behavior. The first part of this study was devoted to the physical structure and the chemical composition of sludge. The second part was oriented towards the study of the mechanical properties; a penetration test and a rotational rheology test were performed. For the first test, a force–length penetration diagram was plotted in order to calculate the hardness, the cohesiveness and the adhesiveness of DWTS. For the second test, the shear stress and the apparent viscosity were plotted and fitted to five rheological models, as function of the shear rate, aiming to describe the rheological behavior of samples. The obtained results reveal that the drinking water treatment sludge from Marrakech is a porous, amorphous and highly adhesive material, with a shear-thinning (pseudoplastic) rheological behavior that can be described according to the Herschel–Bulkley model (better in low-rate stresses, R² = 0.98) or the Windhad model (better in high shear rates, R² = 0.96) and is mainly composed of silica, aluminum and iron oxides.T.0159.20-PD