Traitement des boues : augmenter la siccité en économisant énergie et polymères

Autrefois considérées comme un déchet, les boues sont désormais perçues comme des ressources valorisables, que ce soit en fertilisants, en énergie, voire même en matière première secondaire comme les bioplastiques. Les procédés anaérobies diminuent l'empreinte carbone des usines de traitement.

des eaux usées tout en progressant vers plus d’autonomie énergétique. Du coup, les filières de valorisation se multiplient et se diversifient rapidement.

Mais quel que soit le mode de valorisation choisi, les constantes demeurent pour réduire le volume des boues. Épaississement par décantation, flottation ou égouttage, puis déshydratation mécanique par filtration ou centrifugation restent des étapes incontournables nécessitant des apports de réactifs minéraux ou polymères de synthèse.

Enfin, un séchage final extrait la quasi-totalité de l'eau pour de fortes siccités. Les boues deviennent alors un combustible valorisable, notamment en cimenterie ou en incinération lorsque le PCI (Pouvoir Calorifique Inférieur) est suffisant.

L'objectif pour les exploitants de stations d'épuration reste de bien déshydrater les boues pour pouvoir les valoriser plus facilement. Mais quel procédé choisir, surtout en déshydratation, pour parvenir au taux de siccité souhaité en consommant moins d’énergie et moins de polymères ?

Améliorer la compétitivité des exploitants

Les systèmes et machines progressent sans arrêt et concourent à améliorer la compétitivité des exploitants. Les centrifugeuses proposées par Andritz, Alfa Laval, Pieralisi ou ABB Andreu Boet Equipaments qui se sont imposées sur le marché de la déshydratation durant les années 2000, évoluent également. Le procédé ne change pas : sous l’action de la force centrifuge, les particules décantent et se déposent contre la paroi intérieure du bol de la machine.

Même si le procédé exige une consommation élevée, il s'améliore constamment. Andritz Separation affiche jusqu’à 40 % d’économie d’énergie pour ses machines, les séries D. Ces unités bénéficient d’un entraînement direct de la vis permettant de minimiser les pertes sur les poulies, les courroies, les moteurs et les variateurs de fréquence.

Par ailleurs, les plaquettes de niveau TurboJet permettent une diminution drastique de la puissance consommée, en guidant le liquide s’évacuant de la centrifugeuse dans la direction opposée au sens de rotation du bol.

Ce système breveté équipé de buses ajustables forme un jet, créant une force de réaction similaire à la propulsion d'un moteur. Cette force est utilisée pour mettre le bol en rotation et ainsi réduire la consommation de l’entraînement principal. D’où de substantielles économies d’énergie.

Enfin, la conception du bol, avec une réduction du rayon des sorties solide et liquide, permet de minimiser la perte d’énergie lors de la séparation en réduisant la perte de puissance hydraulique de l’évacuation des phases.

La nouvelle série de décanteurs C-XI de Flottweg est également porteuse de nombreuses améliorations. L'optimisation du pas de vis et l'amélioration de la géométrie du corps de vis produisent une plus grande concentration de solides. La conception de la vis a été améliorée et le flux du centrat est dirigé vers l’évacuation de manière plus régulière.

SLG : une technologie de rupture pour le traitement et le conditionnement des boues

SLG, développé par Orege, agit sur la boue en la déstructurant, en séparant la matière organique et minérale de l'eau de manière immédiate et franche. La première unité SLG a été déployée sur la STEP d'Eygalières (13) en 2012. Depuis, les derniers développements réalisés sur la plateforme technologique SLG ont mis en évidence plusieurs facteurs comme l’élimination instantanée et pérenne des odeurs des boues et l'augmentation de l’épaississement des boues jusqu'à 15 fois en fonction des besoins et des contextes.

Le SLG permet également d’améliorer la siccité des boues et de générer un centrat de grande qualité avec une charge MES < 100 mg/l, et un potentiel Redox augmenté de +100 mV environ. La technologie SLG améliore la qualité des boues municipales et industrielles ce qui facilite leur valorisation tout en permettant une baisse significative des coûts des ateliers boues des stations d'épuration avec une réduction de la consommation énergétique et de floculants.

Le retour de contaminants dans le procédé de traitement des eaux usées est réduit. Pour une meilleure déshydratation, le champ centrifuge G maximum augmente également substantiellement par rapport aux décanteurs courants de la série C. Des vitesses plus élevées, et les forces qui en résultent, requièrent un entraînement performant durable. L’entraînement fiable Simp Drive® de Flottweg a été conçu pour cela et réagit automatiquement aux différents états de charge.

Réduire la perte de puissance nécessaire à la centrifugation des liquides et des solides passe également par un réducteur à entraînement direct qui minimise la puissance installée et diminue les pertes au niveau moteurs et variateurs de fréquence.

Autre équipement de déshydratation éprouvé, le filtre-presse, proposé par Faure Equipements, Emo, ATR Créations, Aqua Traitement, HB Drilling ou Atlantique Industrie, qui opère sous pression en chambres étanches. Il est constitué d'une batterie de plaques verticales évidées, juxtaposées et serrées fortement les unes contre les autres par une tête mobile. La forme des plaques et leur disposition aménagent des chambres de filtration étanches. La pression est appliquée par un puissant vérin hydraulique. Des toiles filtrantes de mailles (10 à 300 μm) séparent solides et liquides lorsque la presse est en action. Le filtre-presse fonctionne de manière discontinue par pressées successives avec des cycles de 30 à 45 min. En fin de pressage, les gâteaux de boue déshydratée tombent par gravité. Un nettoyage des toiles est alors nécessaire toutes les 10 à 20 pressées.

Les filtres-presses de Faure Equipements sont désormais équipés d'un robot capable d’enchaîner des cycles 24h/24 sans nécessiter la présence d’opérateur, même durant l’éjection des gâteaux. Le principe consiste à réaliser une vibration organisée des plateaux par came mécanique. L’autocontrôle est assuré par un système de pesée. Si le poids d'origine du plateau est mesuré, c’est que le gâteau a bien été évacué. Si le poids reste supérieur à la tare, c'est que tout ou partie du gâteau est resté colmaté dans la chambre. De nouvelles vibrations sont alors déclenchées. Multifonctions, le robot effectue aussi le lavage des toiles en automatique entre chaque cycle. Les toiles sont ainsi régénérées en fonction du nombre.

De cycles et de l’encrassement. Avec 100 installations en service en France et à l'export, ces filtres-presses “full automatiques” représentent aujourd’hui près de 90 % de l’activité de Faure Equipements.

« Nous avons relevé pour nos clients le défi du filtre-presse véritablement 100 % automatique, souligne Jean-Pierre Deltreil, Président-Directeur Général de Faure Equipements, le filtre-presse restant, de notre point de vue, la machine de déshydratation la plus efficace. »

L’essor des presses à vis

Pour Abel Smati, Gérant d’Adequatec, « les phases d'égouttage et d’épaississement avec assistance de polymères évoluent peu. En revanche, au niveau déshydratation, plusieurs technologies s’affrontent, presses à bandes, centrifugeuses et, plus récemment, presses à vis. »

Ces dernières se caractérisent par des performances voisines de celles des centrifugeuses en termes de taux de capture mais avec des consommations énergétiques bien moindres (moins de 10 Wh/kg Matière Sèche). En outre, ce sont des machines simples ayant des coûts d’exploitation et de maintenance faibles comparés aux centrifugeuses tournant entre 4 000 et 6 000 tr/min, gourmandes en électricité avec, en plus, des budgets maintenance élevés.

Adequatec développe des presses à vis depuis 2005 pour les boues biologiques. Aujourd’hui, quarante sites sont équipés d’Adequapress, fer de lance du constructeur. Il s'agit d’une presse à vis munie d’un tambour de filtration autonettoyant et incolmatable. Contrairement aux presses à vis fournies avec tamis statiques, le tambour est ici formé d’une alternance d’anneaux fixes et mobiles. Le glissement permanent des anneaux mobiles agit comme racleur et nettoie constamment la zone de filtration. Dès lors, pas de système de lavage, même en fonctionnement continu.

« Les retours d’expériences estimés des exploitants donnent un écart en coût annuel de l’ordre de 80 à 150 €/tonne MS/an, précise Frédéric Gallois, Ingénieur Commercial chez Adequatec. L’enjeu devient crucial pour des projets importants. Par exemple, pour une station d’épuration de 1 500 000 EH, la solution presse à vis nécessite 37,2 kW de puissance électrique contre 1 650 kW pour une solution avec centrifugeuse. En plus du gain électrique (40 fois moins), le bilan d’exploitation global se démarque avec moins de produits chimiques, bien moins d’eau et une quasi-absence d’usures vu la faible vitesse de rotation (1 tr/min), soit des milliers d’euros économisés. »

Avec plus de 1 500 références à travers le

Monde, la presse Amcon créateur de la technologie de presse à disques, distribuée par Atlantique Industrie, est une machine de déshydratation capable de réduire les coûts énergétiques, d’exploitation et de maintenance par rapport aux solutions classiquement utilisées telles que les centrifugeuses ou filtres à bandes. Grâce à une vis spéciale et à un système de disques mobiles et immobiles, la volute permet d’atteindre des siccités de 16 à plus de 50 % selon le type de boues à traiter. Automatisée, la machine fonctionne 24/24 h, sans contraintes de suivi. Sa consommation électrique est dix fois moindre que celle d’une centrifugeuse de capacité équivalente. La consommation d’eau de lavage est également modeste par rapport aux équipements classiques.

« La presse à boues Amcon se différencie des autres types d’équipements par sa capacité d’autonettoyage et l’absence de nettoyage sous pression, souligne Fabien Garin chez Atlantique Industrie. Le mouvement des disques mobiles permet l’autonettoyage permanent du cylindre d’égouttage et de pressage. La méthodologie développée par Atlantique Industrie depuis 25 ans repose sur des essais sur site (pilote complet, mesures en laboratoire) pour démontrer que les arguments avancés par Amcon sont bien réels et permettent de construire des contrats solides et réalistes. »

Huber France propose également un équipement intéressant pour déshydrater les boues de stations d’épuration, la presse à vis RoS3Q. Par rapport aux centrifugeuses, cette machine assure des performances comparables en siccité de boues, en consommations de polymères et en taux de capture, tout en divisant la consommation énergétique par un facteur compris entre six et dix pour une maintenance allégée. Cette presse, expérimentée dès 2002, accepte de déshydrater aussi bien des boues liquides à 8/10 g/l (extraites de la recirculation des boues) que des boues épaisses à 15/50 g/l (extraites d’un épaississeur).

La machine, d’un gabarit équivalent à celui d’une centrifugeuse, reçoit des boues conditionnées aux polymères qui sont introduites dans un tamis cylindrique composé de grilles Johnson. Une vis en inox tourne lentement entre 0,5 et 1,3 tr/min dans ce tamis afin de comprimer les boues et en extraire l’eau. Pour éviter tout colmatage, le tamis est régulièrement nettoyé par aspersion d’eau sous pression.

Une première unité a été expérimentée en 2004 sur la station d’épuration d’un industriel recyclant des bouteilles en PET pour fabriquer de la laine polaire Polytex. Une seconde a été commandée par Sogea Sud-Ouest pour une station d’épuration municipale de l’agglomération de Pau en mars 2012.

Depuis octobre 2011, Huber Technology, en partenariat avec Lyonnaise des Eaux, fait fonctionner une RoS3Q mobile installée dans un container avec tous ses accessoires, notamment pompes à boues et préparation de polymères, sur les stations d’épuration de Libourne et Levroux afin de valider les performances de la machine. Dans les deux cas, les boues à déshydrater provenaient d’un épaississeur statique (entrée presse à vis entre 20 et 30 g/l), alimenté lui-même à 100 % par les boues en excès d’une aération prolongée faible charge. Sur Libourne, les siccités en sor-

Bucher

Teneur de presse étaient comprises entre 20 et 21,9 %, avec 6 à 10 kg de polymères par tonne de MS. Les taux de capture étaient supérieurs à 95 %. Sur Levroux, les siccités en sortie de presse étaient comprises entre 20 et 22 %, avec 5 à 9 kg de polymères par tonne de MS. Dans les deux cas, les essais ont été jugés positifs par des exploitants à la recherche de procédés apportant des gains de productivité.

Machine intégralement en inox, la RoS3Q traite des débits de boues à déshydrater compris entre 1,5 et 20 m³/h, ayant une siccité en entrée de 6 à 50 g/l. Avec une puissance installée de 0,37 à 3 kW, la siccité en sortie varie entre 18 et 23 % lorsqu’il s’agit de boues biologiques urbaines. « Nous avons vendu 20 presses à vis de ce type depuis le début de l'année, sachant qu’une trentaine d’unités sont en service dans l’hexagone, précise Henry de Miramon, Directeur Général d’Huber France. Pour un investissement compris entre 50 et 80 k€, ces unités sont plébiscitées par nos clients vu leur simplicité, leur robustesse et leur autonomie. Ces presses, relativement rudimentaires, se montrent économiques avec une maintenance quasi-nulle par rapport aux centrifugeuses qu'elles remplacent pour des coûts d’exploitation réduits, compris entre 2000 et 4000 € chaque année ».

Alfa Laval a lancé de son côté une presse à vis fiable, robuste (inox 316) qui se présente sous la forme d'un système de déshydratation continu simple à utiliser et capable de traiter de 2 à 9 mètres cube par heure.

Autre innovation visible à Pollutec 2014, la nouvelle série de presses Akupress LX de Bellmer Kufferath Machinery s’appuie sur plus de 25 ans d’expérience dans la déshydratation des boues. Elle permet de déshydrater les boues ainsi que des matières dispersées de structure relativement faible. Une haute siccité des matières solides est obtenue avec un minimum d’énergie et de floculants. Les machines à rotation lente sont moins sensibles à l’usure que d'autres technologies. La presse est disponible en trois tailles (diamètre 400, 625 ou 1000 mm) pour couvrir un large spectre de débits.

Un procédé innovant : la presse hydraulique horizontale

Le Suisse Bucher Unipektin, spécialiste des équipements et systèmes de séparation liquide-solide, a développé en partenariat avec Degrémont l’atelier de déshydratation Dehydris™ Twist. Cette technologie originale est basée sur une presse hydraulique horizontale dans laquelle les boues sont mécaniquement déshydratées avec des siccités pouvant atteindre 50 % de matière sèche (MS).

Au cœur de la machine, des drains flexibles raccordés entre la tête du piston et la plaque de pression. Chaque drain flexible est constitué d'une âme polyuréthane dont l’élasticité n'est pas affectée par le temps et d'une membrane filtrante en polypropylène résistante aux produits chimiques.

Un cycle complet de pressage se divise en une alternance de plusieurs remplissages puis pressages (jusqu’à cinq cycles), le tout se terminant par une phase de mise sous pression ultime. Selon la nature des boues et leur filtrabilité, une phase complète demande de 70 à 120 minutes. Les boues déshydratées sont ensuite évacuées par gravité sous la machine.

L’atelier Dehydris Twist, grâce à la presse Bucher HPS, permet d’atteindre des siccités maximales et une parfaite automaticité sur tous les types de boues. La siccité obtenue est particulièrement élevée grâce aux épaisseurs de filtration à travers le gâteau réduites au minimum par l’alternance des phases de pressage et de déstructuration. Enfin, lorsque le pressage ultime est achevé, la chambre de déshydratation est

Ouverte et les boues déshydratées, grumeleuses sont évacuées par gravité.

Solution déjà retenue dans plus de 2000 installations au monde, ce dispositif piloté par interface graphique est innovant, robuste, avec une durée de vie élevée, une maintenance réduite, un pilotage facile et un fonctionnement possible sans surveillance. Naturellement, les parties en contact avec les effluents sont en inox. Parmi d'autres, la Communauté d’agglomération de Béziers Métropole, la Communauté de communes de la Basse Zorn, la ville de Milan, Victoriaville au Québec ou Thames Water ont fait confiance à la technologie Bucher pour la déshydratation à des siccités maximales de leurs boues.

Séchage sous serre : soleil et chaleur sont des alliés

La filière boues pose des problèmes d’épaississement, de stabilisation (digestion), de déshydratation et de séchage. Pour ce dernier type de traitement, soleil et chaleur sont des alliés précieux. Ainsi OTV-Veolia, Degrémont, Huber, Derichebourg Aqua, Thermo-System, R&O ou encore Aqualter développent des solutions de séchage sous serre via des pompes à chaleur associées au séchage solaire.

Sécher les boues par voie solaire permet de les stabiliser tout en réduisant leur volume. Adapté aux petites et moyennes collectivités qui disposent de réserves foncières, le principe affiche des coûts d’investissement et d’exploitation nettement inférieurs aux sécheurs thermiques traditionnels.

Le principe fait appel à une vaste serre dans laquelle les boues sont amenées par une vis à partir du local de déshydratation. De façon linéaire, la serre possède une zone de préparation, une zone de séchage et une zone de stockage des boues avant évacuation, post-traitement ou épandage.

La répartition automatique des boues sur la largeur de la serre sollicite toute la zone de séchage. Un manipulateur automatisé à translation linéaire étale les boues pour une hauteur de couche de 20 cm maximum.

Le retournement cyclique du lit de boues est exécuté par un dispositif à augets symétriques sur la largeur du module afin d'intensifier l’aération, donc le séchage. En fin de traitement, les boues séchées sont recueillies dans une fosse avant récupération pour post-traitement, incinération ou épandage.

Si le système peut s’avérer autosuffisant lorsque l’ensoleillement est conséquent et lorsque la réserve foncière est suffisante, l'hiver il peut être suppléé par un plancher chauffant généralement installé dans les fondations de la serre ou via des aérothermes qui chauffent l’air de la serre. Alimenté par une pompe à chaleur récupérant les calories sur l’eau traitée de la station…

Ainsi, ce second mode de séchage prend le relais en cas d’ensoleillement ou de foncier insuffisant.

L'origine des calories récupérées se diversifie.

Aqualter et son procédé Tersolair® reposent sur une récupération du pouvoir calorifique des eaux traitées. Cette technique, fiable et économique, a permis à l’entreprise de gagner une trentaine d’appels d'offres depuis 2005. Les boues y atteignent un taux de siccité supérieur à 80 % et sont séchées toute l'année avec un apport d'énergie minimal grâce à une pompe à chaleur alimentée par la température de l'effluent traité par la station. On évite ainsi en hiver les phénomènes de fermentation et les nuisances olfactives qu’ils engendrent. Au fil des années, le procédé s'est amélioré. Un brevet a été déposé en 2010 sur le procédé qui ajoute à l’énergie solaire et au plancher chauffant une ventilation rapprochée du lit de boues, améliorant encore le rendement du système.

R&O Dépollution, avec son procédé SoleReO, a développé avec la société américaine TPS une technologie permettant d’alimenter le plancher chauffant du sécheur solaire avec l'eau chaude générée par la digestion aérobie thermophile Thermaer™, un procédé breveté par TPS avec plus de 50 références. Cette combinaison permet de réduire les tonnages de boues générés d’un facteur 6 à 8, en limitant considérablement les consommations énergétiques. De plus, les boues, une fois digérées puis séchées, peuvent couramment être conservées de nombreux mois en toute sérénité, grâce à la réduction conséquente des matières volatiles à plus de 60 %. La combinaison de ces deux procédés offre donc une solution pérenne et économique de traitement des boues, assurant de larges débouchés pour ces boues digérées et séchées.

L'association soleil/chaleur a permis de régler une bonne partie des problèmes d'exploitation qui se posaient parfois (siccité, nuisances olfactives) lors de l’apparition du séchage solaire, il y a une vingtaine d’années. Les systèmes de gestion et de retournement des boues ont également beaucoup progressé, rendant désormais possible une exploitation continue avec chargement et évacuation comprises des boues séchées. Thermo-System, le leader mondial dans le domaine du séchage solaire de boues, a ainsi mis en service plusieurs centaines d’installations à travers le monde dont certaines excèdent les 100 000 E.H. Entièrement automatisées, ces installations permettent parfois de partir de 15 à 20 % de siccité initiale pour obtenir une siccité finale de 90 % (avec ou sans chaleur complémentaire).

En sortie de traitement, la boue séchée, sous forme de granulés, ne dégage pratiquement plus ni odeur ni poussière. Pour arriver au stade du produit, il est encore possible de transformer puis d’homologuer la boue comme matière fertilisante valorisable pour les espaces verts ou l’agriculture.

Pour aller plus loin, Aqualter a déposé en 2011 un brevet sur une technologie d’hygiénisation des boues séchées appelée « Tersolyge® ». Afin que la boue séchée apporte aux exploitants agricoles une quantité minimale d’azote et de phosphore tout en ne présentant aucun danger pour les organismes vivants et l’environnement, un traitement d’hygiénisation est installé en aval du sécheur. Le principe consiste à chauffer les boues à une température de 95 °C durant cinq à six heures en les faisant passer dans une vis sans âme en acier inoxydable avec chauffage incorporé par effet Joule. L'ensemble, entraîné en rotation, est contrôlé en température et temps de séjour par un automate et des sondes de gestion thermique. Les boues ainsi hygiénisées sont livrées en vrac ou en big bag. Une première installation a été vendue sur la station d’épuration de Papeete, pour une mise en service fin 2015.

Une alternative éprouvée à ce type de dispositif, qui permet d’atteindre des siccités voisines de 90 %, permet de valoriser les boues séchées sous forme matière ou énergétique.

Positif est de traiter les boues sortant du sécheur solaire dans un sécheur thermique à couche mince proposé par la société Vomm Impianti e Processi.

La spécificité de ce sécheur lui permet d'accepter sans problème des boues ayant une siccité à l’entrée allant de 40 à 70 % MS pour les porter à une siccité finale de 90/92 % MS.

Le passage dans le sécheur permet d'obtenir des boues hygiénisées ayant une siccité constante et parfaitement homogène. Vomm a par ailleurs optimisé son procédé de séchage permettant ainsi de réduire jusque 10 % la consommation d'énergie thermique et de produire de l'eau chaude à 80 °C qui peut être utilisée pour le chauffage des digesteurs/bâtiments ou pour le chauffage des serres. La chaleur ainsi récupérée peut dépasser 50 % de l’énergie fournie au sécheur.

La capacité de ces sécheurs à sécher des boues de n’importe quelle siccité initiale et à les porter à la siccité finale souhaitée permet de compenser les variations de siccité inhérentes au système de séchage solaire (indépendamment des conditions climatiques et des fluctuations démographiques saisonnières) voire même, si nécessaire, de le remplacer totalement en acceptant des boues entrantes à une siccité de 20-30 % (après déshydratation mécanique) et de les porter à 65-90 % de siccité finale.