Déshydrater au plus juste, sécher s'il le faut, et surtout, économiser l'énergie primaire investie en récupérant de l'énergie à différentes étapes. La destination finale de la boue guide la fourchette de siccité souhaitée et par suite, la chaîne d'élimination de l'eau la plus adaptée à cet objectif. Le séchage solaire confirme son intérêt. Un éventail de procédés pour construire une filière adaptée à chaque site.
La production des boues dans les filières d’épuration des eaux est inéluctable. Le traitement et l’évacuation de ces boues représente un coût même si elles ont également une valeur intrinsèque d'un point de vue agronomique (épandage, compostage) ou thermique (incinération) ; la pire des options étant la mise en décharge, à l'heure où la notion d'économie circulaire apparaît. Réduire ce coût commence par la réduction des quantités produites, ce qui est possible dans une certaine mesure au sein même des procédés à boues biologiques ou a posteriori par leur méthanisation ce qui permet de diminuer les quantités de 30 à 50 % tout en pro-
Produisant de l’énergie renouvelable avec la cogénération.
Première étape, la déshydratation (départ de l'eau libre) suivie d’un éventuel séchage (départ de l’eau liée). Selon le caractère plus ou moins hydrophile de la matière solide considérée, l'eau sera plus ou moins retenue, d’où des siccités finales variées pour un même procédé. Les essais d’aptitude à la déshydratation des boues sont essentiels. Ils sont réalisés par des sociétés spécialisées telles que l’IFTS sur quelques litres pour les paramètres de base et jusqu’à plusieurs mètres-cube sur des unités mobiles (sur skid ou camion) pour estimer les paramètres industriels comme l’encrassement (toiles filtrantes), la siccité effective atteignable, etc.
Le temps et l’investissement consacrés à ces essais éviteront de coûteux déboires si le choix de la filière s’avère inapproprié, même si les fabricants d'équipements offrent de solides garanties. « Toute vente d’équipement s’accompagne d’engagements contractuels sur la siccité réalisée, la consommation de polymères, le taux de capture (pourcentage de solide effectivement retenu par l’équipement). Notre expertise est reconnue dans les essais sur les boues et leur traitabilité », souligne par exemple Jean-Jacques Pillet, directeur Marché environnement Europe chez Andritz.
De son côté, Adequatec a conçu son propre matériel d’essais utilisé au départ pour démontrer les performances des Adequapress mais essentiellement utilisé aujourd’hui pour les cas spécifiques, notamment en industrie. « Elle dispose d’une Adequapress miniature pesant moins de cinq kilos destinée aux essais en laboratoire ainsi qu’un pilote de taille industrielle issu de sa gamme Adequapress hybride H1100 monté sur skid avec tous ses périphériques prêts à fonctionner, permettant des essais chez le client aussi bien en déshydratation qu’en épaississement », explique Abel Smati, directeur du Développement chez Adequatec.
La destination finale conditionne le choix du traitement. Les boues liquides (de 0,5 à 5 % MS) font l’objet d’une déshydratation mécanique via des équipements fournis par Adequatec, Andritz, ATR Créations, EMO, Serinol ou Huber Technology. Elle commence souvent par un épaississement préalable (table d’épaississement, tambour épaississeur) suivi d’une filtration ou d’une centrifugation pour obtenir une matière pâteuse pompable ou solide avec une siccité de 10 à 35 %, voire plus si la nature de la boue s’y prête. « Les presses à vis avec tambour à disques, installées en France depuis 2005, produisant de l’énergie renouvelable avec la cogénération. »
« acceptent des boues même très diluées (0,3 à 1 %) et assurent simultanément les fonctions d’épaississement et de déshydratation avec une très faible consommation énergétique et des taux de captures supérieurs à 95 % », précise Abel Smati, le fondateur d’Adequatec. Aller au-delà, pour les boues organiques, nécessite de recourir à l’évaporation, réalisée à différents niveaux de température, de la température ambiante à quelques centaines de degrés, avec des temps et des coûts très différents pour des produits finaux également différents (texture, intérêt agronomique…). Le bilan économique dépendra beaucoup de l'énergie utilisée : gaz, fioul, combustion des boues déshydratées, chaleur récupérée, soleil.
Les schémas de traitement susceptibles d’être mis en œuvre sont très divers et correspondent à des investissements, des techniques, des modes d’exploitation variables qui sont souvent fonction des quantités à traiter et des débouchés. « Centrifugeuses, filtres à plateaux et filtres à bandes sont les trois techniques les plus utilisées depuis 50 ans ; on voit apparaître les presses à vis, prometteuses sans être la panacée. La destination finale de la boue détermine le choix du traitement. Ensuite l’installation doit être un mix intelligent entre les coûts d’investissement en machines et les bâtiments qui les abritent et leurs coûts opératoires. C’est pour cela que nous vendons des filières de traitement et pas des machines », explique Marc Cantegril, chef de marché Boues & énergie au marketing municipal de Veolia Eau Solutions & Technologies. La question se complique si l'on prend en considération le type d’exploitation : contrat d’affermage ou régie municipale ? Les deux n’ont pas les mêmes temporalités.
Décanteurs centrifuges : une consommation optimisée
La préoccupation liée à la consommation d’énergie d’un équipement joue un rôle de plus en plus important. Andritz et Alfa Laval, leaders sur le marché des décanteurs centrifuges, mettent en avant la récupération d’énergie cinétique sur leurs équipements : Turbojet chez Andritz, Power Plates chez Alfa Laval. Dans les deux cas, une partie de l’énergie cinétique du fluide séparé est transférée à l’arbre de la vis ou directement au bol du décanteur pour les équipements Alfa Laval. « On baisse jusqu’à 15 % la consommation électrique de l’appareil. Cette récupération n’est optimale que sur des machines de grosse capacité fonctionnant à charge nominale. Le Turbojet peut être installé sur des machines existantes ; nous lançons une campagne… »
« De rééquipement, explique Jean-Jacques Pillet, directeur Marché environnement Europe chez Andritz. De son côté, Pierre-Yves Melchior, en charge du marché Environnement chez Alfa Laval, explique qu’en ajoutant à cette technologie d’autres améliorations, comme le Slimline qui est une vis de moindre diamètre, ainsi que l’utilisation sur le décanteur de deux types de moteurs à vitesse variable, on contribue à réduire la consommation électrique jusqu’à 40 % sur les gammes d’équipements standards.
Alfa Laval, Andritz, Flottweg, Pieralisi ou encore Westfalia Separator se retrouvent sur un argument : la consommation électrique pèse deux à trois fois moins lourd dans le traitement des boues que la consommation de polymères (jusqu’à 1 % sur la matière sèche pour des boues difficiles), le troisième poste étant la main-d’œuvre. Il y a donc lieu de bien hiérarchiser les postes de dépenses opérationnelles. Autre point d’accord, les centrifugeuses ne sont pas réservées aux grosses capacités mais se conçoivent aussi pour de petites installations de 10 000 EH, voire moins. Tendance confirmée par Marc Cantegril. Jean-Jacques Pillet souligne le fait que pour bien comparer deux équipements, il faut les juger sur des temps de fonctionnement identiques : on ne peut pas raisonnablement comparer une centrifugeuse qui tournera 8 heures par jour avec une presse à vis qui fonctionne en continu.
Presses à vis : un regain d’intérêt
La presse à vis bénéficie d’une notoriété croissante depuis quelques années. Plusieurs fournisseurs sont présents sur ce marché : Adequatec avec l’Adequapress et son tambour autonettoyant, Huber avec les Rotamat™, FKC, Neyrtec avec le Tasster® etc. Arguments principaux : la faible consommation électrique, des coûts moindres de maintenance, un fonctionnement sans astreinte de personnel et un taux de disponibilité proche de 100 %. Adequatec, qui depuis 2005 a mis en service près de 40 installations, annonce la mise sur le marché en 2014 d’une nouvelle gamme, la Swingpress, lui permettant la couverture complète de la gamme en termes de capacité afin d’accompagner ses principaux clients sur leurs marchés ainsi qu’une baisse de 50 % de la consommation électrique. L’intérêt du marché pour ces appareils pousse tout de même Andritz à reconsidérer cette technologie : une gamme de trois modèles sera lancée fin 2013 pour couvrir l’intervalle 2 à 8 m³/h en travaillant particulièrement le taux de capture. Cette technologie est très répandue en Asie où les principaux constructeurs sont japonais. Ils ont éprouvé depuis de nombreuses années ces presses à vis au détriment des systèmes traditionnels tels que les filtres à bandes, filtres à plateaux ou centrifugeuses. Des solutions ont été trouvées pour pallier le mauvais taux de capture que présentait cette technologie. Après une campagne d’essais sur des petites et moyennes stations d’épuration, Emo vient de valider cette technologie comme une alternative très avantageuse sur le plan énergétique et en consommation de polymères par rapport aux centrifugeuses et permettant d’obtenir une siccité supérieure aux filtres à bandes. De ce fait, Emo s’est associé avec un des plus grands fabricants japonais, Ishigaki, qui produit ces machines sous licence dans l’Union européenne.
Les installations mobiles ont le vent en poupe
Faciles à transporter, à installer et rapides à mettre en œuvre, les unités mobiles proposées par ATR Créations, Degrémont, Emo, Simon Moos ou Faure Équipements progressent dans le domaine du traitement des boues pour des utilisations allant d'une journée à une semaine, un mois, un an, voire davantage sur certains sites. Sur skids, en containers ou sur semi-remorques, elles intègrent tout type d’équipement de la centrifugeuse au filtre-presse en passant par la presse à vis ou le filtre à bandes. Elles permettent, selon les cas, de faire face à une situation d'urgence, à un usage occasionnel, plus régulier en mutualisant les coûts, ou encore partagé en desservant plusieurs sites différents. Disponibles à la vente ou à la location, elles sont complètement autonomes et adaptées aux sites d'accès difficile.
Les volumes peuvent être très importants. ABB Andreu Equipements Boet, spécialisée dans les services de location de décanteuses centrifuges, propose ainsi des unités mobiles de déshydratation de toutes tailles dont les deux plus grandes en exploitation aujourd'hui dans le sud de l'Europe ont été déployées pour assécher les boues provenant des digesteurs anaérobies, boues de lagune, boues de dragage, boues de forage, décontamination des sols, etc. (débit de 5 t MS/heure).
Chaque unité mobile est logée dans un conteneur abritant une décanteuse centrifuge, des pompes à boues, pompes à polymères, unité de préparation de polymères, convoyeur de décharge, panneau de commande avec automates, tuyaux et câbles pour la connexion. Les unités sont livrées sur site au moyen d'un camion et exigent simplement d'être connectées. La fiabilité et la haute capacité permettent à ces unités de travailler sans interruption en traitant de gros volumes à des siccités élevées. Louer une unité de centrifugation mobile est également une bonne option dans le cas de besoin de maintenance, dépannage ou changement des équipes en service. Il n'y a pas de dépenses en capital, pas de perte de production, un risque réduit pour tester un nouveau process, une surface au sol requise réduite, des contrats de coûts fixes, un temps de réponse court et pas d'arrêts coûteux. Pour fournir des solutions court ou long terme, ABB propose d’ailleurs une grande variété de forfaits. Pour les longues périodes de location, l'entreprise fournit également des systèmes complets avec des centrifugeuses sur des structures construites sur mesure.
Filtre-presse : un centenaire en pleine forme
La filtration s’effectue sur des filtres à bandes ou des filtres-presse commercialisés par EMO, Faure Équipements, Andritz, PHR Industrie ou Choquenet. Avec une siccité de 30 à 80 %, les filtres-presse se sont considérablement améliorés ces dernières années comme l’indique Jean-Pierre Deltreil de Faure Équipements. « Aujourd’hui, 90 % de nos filtres sont automatiques. Les clients veulent du fonctionnement 24 h/24, ce qui réduit la taille des équipements d’un facteur 2,5. Autre progrès, la fourniture d’équipements clés en main, prêts à fonctionner ». Deux exemples en 2012 : la réhabilitation sur la STEU de Moulins, 55 000 Eh soit 1 400 t/an de matières sèches (siccité 35 %) où un filtre-presse remplace deux filtres à bandes et l’installation à Objat d’un filtre-presse conditionné en conteneurs pour une capacité de 6 000 Eh (105 t MS/an). « L’utilisation de conteneurs recyclés passe très bien auprès des clients ; le filtre est entièrement monté en atelier et testé, leurre semaines ont suffi pour l’installation. L’idée d’un bâtiment en dur est passée » affirme Jean-Pierre Deltreil.
Séchage thermique : avantage aux sécheurs basse température
Une boue n’est stabilisée sans reprise de fermentation que si la siccité dépasse les 90 %. Les grosses installations utilisent des équipements industriels de séchage thermique qui ont l’avantage de la compacité et de la rapidité. Les capacités s’évaluent en tonne par heure.
fonctionnant à l'huile thermique et notamment de la distribution d'huile dans les disques.
Sur la base du système de l'espagnol STC, Degrémont propose de son côté Evaporis™ LT, un atelier de séchage qui repose sur l'utilisation d'un sécheur basse température dont le principe de fonctionnement est le séchage en continu par convection d'air chaud dans un tunnel fermé (air à 65/80 °C).
Un module d'alimentation reçoit et transforme les boues déshydratées en spaghettis, de consistance solide, qui sont alors convoyés via un tapis dans des modules de séchage où l'air chaud circule permettant ainsi de charger l'air en humidité puis d'en extraire l'eau par des échangeurs. Un module de retour situé à l'extrémité permet la décharge sur la bande inférieure du tapis.
d'eau évaporée. Les sécheurs à haute température (200 à 250 °C) ont eu leur heure. De nombreux AMO comme Enviro-Consult leur préfèrent aujourd'hui les sécheurs à des températures de séchage plus basses et mieux contrôlées qui présentent beaucoup moins de risque industriel (explosion notamment). « Nous privilégions maintenant le sécheur à bande BioCo™, à séchage indirect à 180 °C et sans production de poussières », explique par exemple Marc Cantegril.
Andritz et Huber Technology proposent également des sécheurs à bandes (110-130 °C).
Outre ses applications en séchage total, le sécheur à disque SIL est bien adapté au pré-séchage des boues urbaines ou industrielles. En amont d'une unité de combustion, le pré-séchage permet de diminuer la consommation d'énergie, voire de la supprimer. La qualité des boues d'origine, notamment leur siccité initiale et leur capacité calorifique, impacte l'auto-thermicité globale. L'effet est double : d'une part on récupère une énergie supplémentaire disponible dans les fumées, et d'autre part, l'eau qui est éliminée dans le sécheur est chauffée à 100 °C seulement alors que dans le four, elle serait chauffée à 850-870 °C. Les conséquences sur le process total se traduisent par l'ajout d'un sécheur avec ses annexes et d'un circuit de chauffe, soit à la vapeur, soit à l'huile thermique,
Les sécheurs proposés par Emo fonctionnent sur le même principe mais à une température encore plus basse, 40 °C. Emo a mené des campagnes d’essais sur plusieurs types de boues avec un pilote pendant plusieurs mois et a fait analyser la qualité de l'air par un laboratoire externe accrédité. Grâce au design très hermétique de ce sécheur, et malgré la faible température, aucune odeur et germes pathogènes n’ont été relevés dans l’air. Installé par exemple à Saint-Marcellin (50 000 EH – France – 38), l’atelier de séchage Evaporis LT permet de réaliser des économies d’énergie tout en limitant les gaz à effet de serre grâce à la récupération des basses calories générées par d'autres procédés fonctionnant sur le site : cogénération, réseaux de chauffage… Facile à installer et à exploiter, il s'adresse aux stations d’épuration allant d'une capacité de 30 000 à 250 000 EH par sécheur. Les boues séchées ne représentent alors qu'une masse comprise entre 20 et 30 % de la masse des boues humides avant séchage.
Séchage sous serre : des installations de plus en plus importantes
L'attrait pour les énergies renouvelables incite au séchage solaire ou plus exactement au séchage sous serre (évaporation due au déséquilibre entre la phase solide hydratée et la phase gazeuse qui se charge en eau). Si, dans les pays désertiques, le séchage solaire direct à l'air libre est possible avec un simple retournement des boues (grosse référence à Dubaï pour Thermo-System avec 140 000 t/an représentant plus de 2 millions d’EH et pour Veolia à Wathba aux Émirats arabes unis, 14 000 t de MS par an), sous nos latitudes, la serre est indispensable pour contrôler au mieux l’évaporation et confiner les éventuelles odeurs avant leur traitement. Une phase essentielle est le retournement périodique des boues qui renouvelle la surface de boue à évaporer. Plusieurs fournisseurs sont sur les rangs : Thermo-System, Aqualter Construction (avec son système de plancher chauffant), Degrémont (système Heliantis™), Veolia (système Solia™ combinant fermentation-séchage), Solairgies, etc.
Si à l'origine cette solution portait sur des capacités moyennes, inférieures à 50 000
En compte tenu des surfaces à mobiliser pour les serres, des installations plus grosses apparaissent comme Nantes (référence Thermo-System) depuis mi-2012 sur 7 000 m² de serres pour un séchage à 50 % (10 000 t boues sèches soit 100 000 EH) puis épandage. Mais il est vrai que la méthode convient bien à des petites communes de moins de 20 000 EH où la serre peut faire office de stockage comme à Lorgues 83 (Thermo-System) voire de 2 850 EH comme à Neuville-sur-Sarthe qui a choisi le séchage solaire (NTE). « Ces petites capacités doivent aussi penser aux filtres plantés de roseaux, surtout si les flux sont variables : c'est ce que nous avons installé à Ceignes (01) pour une station de deux fois 400 EH qui reçoit les effluents d’une station d’autoroute » explique Erik Gonay d’Aquacorp.
Les réalisations importantes se multiplient cependant. Lors de son appel d’offres récemment remporté à Chartres (160 000 EH, voir EIN n° 361), Aqualter a proposé de substituer au traitement par filtres-presses un séchage solaire des boues sur site, assuré par six serres solaires couplées à trois centrifugeuses.
Les sécheurs ont été dimensionnés pour amener les boues à une siccité de 60 % à la mise en service, progressivement ramenée à 35 % au fur et à mesure de la montée en puissance de la station vers le nominal. Le système proposé offre de nombreux avantages par rapport à la solution de base : il apporte une économie substantielle dans le coût d’exploitation des boues (-130 k€ à ‑386 k€ dès la mise en route), il offre la possibilité d’un traitement multi-filières, permettant un épandage « propre » très prisé par les agriculteurs, il limite les nuisances pour les riverains et facilite l'exploitation, plus simple que pour les filtres-presses.
Aqualter maîtrise depuis de nombreuses années cette technique (30 références), grâce à un système original basé sur un retournement complet des boues par un pont en inox, renforcé en hiver par un plancher chauffant alimenté par les calories de l'eau traitée.
