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Le conditionnement, étape indispensable pour les boues d'épuration

02 juin 2020 Paru dans le N°432 à la page 65 ( mots)
Rédigé par : Patrick PHILIPON

Le conditionnement physico-chimique des boues reste l’étape clé de tout processus de concentration solides/liquides. Cette étape peut être menée avec une grande diversité de réactifs minéraux ou organiques à des dosages variables qui neutralisent les charges de surface des solides et favorisent leur agglomération. Mais la diversité et la variabilité des boues à traiter ainsi que la complexité des processus de floculation expliquent qu’il n’existe pas de solutions universelles.

Qu’elles proviennent de procédés industriels ou de stations d’épuration urbaines, qu’elles soient destinées à l’épandage, au compostage ou à l’incinération, les boues d’épuration sont trop liquides pour être prises en charge telles quelles. Les filières de traitement varient mais comportent pour la plupart un épaississement puis une phase de déshydratation.
Le Flocmaster™ de Nalco Water permet de préparer un floculant à forte concentration sans post-dilution, en fiabilisant et en stabilisant la concentration de préparation du floculant et en obtenant un mélange polymère/boues optimal et variable en fonction des conditions de marche.

« L’épaississement mécanique a pour objectif d’éliminer l’eau contenue entre les flocs (eau surnageante) tandis que la déshydratation mécanique a pour objectif d’éliminer l’eau contenue dans les flocs (eau interstitielle), explique Pascal Ginisty, directeur scientifique de l’IFTS. L’eau surnageante et l’eau interstitielle constituent l’eau libre alors que l’eau liée n’est éliminable que par des procédés thermiques ce qui explique les limites de la déshydratation mécanique d’une boue ».

Tables d’égouttage, presses à bandes, centrifugeuses, presses à plateau (filtre-presse), presses à vis, à disques, à piston : les dispositifs de déshydratation ne manquent pas, chaque fournisseur mettant en avant les avantages de son système. Il est cependant une chose sur laquelle tous s’accordent : leur solution ne donnera des résultats optimums que si elle reçoit une boue bien conditionnée. « Aucune table d’égouttage, aucun filtre à bandes ne peut obtenir un haut niveau de performance sans une bonne floculation (conditionnement des boues) en amont » souligne par exemple EMO, spécialiste de la conception et de la fabrication d’équipements de traitement des boues.
Le Bootest, développé par l’IFTS, permet de réaliser et de caractériser le conditionnement chimique des boues conformément à la norme NF EN 14742.

 « Le conditionnement consiste en un prétraitement spécifique qui permet le bon fonctionnement des équipements de déshydratation mécanique, résume de son côté Régis Ertz, directeur Huber Technology France. Dans ce contexte, l’efficacité de cette application particulière est liée à la qualité des boues qu’elles soient urbaines ou industrielles. Les paramètres déterminants les difficultés à épaissir ou déshydrater reposent sur les taux de MVS, l’indice de boue, la montée en température, le pH, la conductivité, auxquels nous ajoutons le taux de matières fibreuses, car il conduit à injecter des doses moindres de réactifs mais il est particulièrement complexe à mesurer ».

La préparation de la boue, ou conditionnement, est donc une étape cruciale pour le résultat final. Au point que plusieurs fabricants de solutions d’épaississement et/ou de déshydratation conçoivent, voire intègrent, des dispositifs de conditionnement pour bien “nourrir” leurs appareils.

Les voies minérale et organique

L’idée de base est simple : ajouter des réactifs chimiques à la boue afin d’agglomérer les particules en suspension, ce qui permettra de faciliter la séparation solides-liquides ultérieure. L’apport de ces floculants se fait avant même l’épaississement initial, et bien souvent également après puisque le pompage pour transférer la boue entre l’épaississement et la déshydratation risque de casser les agrégats de particules, souvent appelés “flocs”. Les polymères organiques représentent une bonne part des floculants utilisés dans ce domaine. Les grands fournisseurs comme Solenis - Kemira, Nalco Water,Kronos Ecochem, Aprotek ou SNF Floerger proposent toutes sortes de produits pour couvrir toutes les situations (type de boues, filière de traitement, devenir des boues…).
La table d’épaississement de boue sans polymère, Deshyvac développée par SPF et Choquenet, offre une gamme de siccité et de structure obtenue par l’ajustement du niveau de vide, des taux de conditionnement et du débit.

Pour s’y retrouver, les fournisseurs de solutions de déshydratation mécanique recourent de plus en plus aux essais en laboratoire. EMO s’est ainsi doté d’un laboratoire dédié dont la cellule process/labo, animée par trois personnes, est en mesure de caractériser les effluents et les boues (matière sèche, matière organique, observations microscopiques des bactéries, granulométrie…), de déterminer les réactifs les plus adaptés (coagulant, floculant et dosage), de réaliser des tests de flottation et de mesurer l’aptitude à la déshydratation des boues conformément à la norme NF-T 97‐001‐03 publiée en septembre 2018, et de sélectionner le traitement et le matériel adaptés à l’application : décantation, flottation, épaississement, déshydratation, filtration…

En qualité de leader européen des équipements et procédés pour le traitement des eaux usées et des boues, Huber Technology propose à ses clients de réaliser des essais en laboratoire sur l’efficacité propre de chaque réactif en ce qui concerne la dimension des flocs formés. « En fonction de la nature des boues à filtrer, mais également de l’efficacité désirée, il est nécessaire de déterminer les paramètres de dimensionnement utiles, soit les taux de maturation, et de dilution, le temps de contact du mélange boue/polymère, pour déterminer en conséquence l’ajout de réactifs minéraux ou de polymères. Très souvent, nous constatons que les appareils sont sous-dimensionnés et qu’ils ne respectent pas suffisamment ces paramètres. Dans 99 % des cas, il ressort de nos jar-tests que les réactifs utilisés pour le conditionnement chimique sont des polymères avec quelques cas, notamment pour les boues industrielles, qui nécessitent un rééquilibrage du pH, et l'ajout de sels métalliques ou de chaux » poursuit Régis Ertz.
L’injection en amont d’une centrifugeuse de Neutralac® QM2 DB permet de réduire d’environ 5 % la production de boue et de faire passer la teneur en matière sèche des boues déshydratées de 25 à 37 %.

C’est aussi le cas chez Bucher Unipektin. « Le conditionnement est une science complexe et de nombreuses améliorations sont possibles, chez Bucher, nous cherchons toujours à mettre en œuvre les meilleures pratiques, explique Jean-François Mischler. Cela passe par une connaissance poussée des produits disponibles, de leur bonne préparation et par le choix d'une mise en œuvre adaptée. Notre laboratoire est capable de déterminer non seulement les produits les plus adaptés sur le marché mais aussi les conditions de mise en œuvre appropriées (injection mono ou multi-points, l'énergie de mélange requise, les temps de contacts, la siccité atteignable et la qualité des filtrats). Le choix doit permettre d'offrir non seulement les meilleures performances technico-économiques mais aussi une large plage d'efficacité pour éviter tout risque d'instabilité des performances de traitement in-situ ».

La qualité du conditionnement a une grande influence sur le résultat d’une opération de déshydratation. Kronos ecochem propose des agents de conditionnement à base de sels de fer associés à une assistance technique qui va du conseil à la fourniture d’éléments de mélange, en passant par la réalisation d’essais d’exploitation avec le client.

Faure Equipements s’est également doté d’un laboratoire équipé du matériel nécessaire pour caractériser les boues et les produits à déshydrater (Jar-Test, mesure de CST, MES, siccité, etc…). Une cellule de filtration-compression répondant à la norme NF-T 97001-01 dotée d’un système d’acquisition informatique permet de déterminer les paramètres caractéristiques des étapes de déshydratation : siccité limite, compressibilité, résistance spécifique.

De même, des instituts indépendants, comme l’IFTS, spécialisé dans les problématiques de séparation liquide -solide, s’attachent également à aider constructeurs et exploitants à déterminer quel type de coagulant/floculant sera le plus adapté à une situation donnée. Il s’agit d’apporter des réponses aux pratiques courantes d’essais de floculation qui n’assurent ni traçabilité, ni répétabilité, ni précision aux résultats, conduisant à des surdosages coûteux de réactifs, souvent inefficaces. Plusieurs outils ont été développés dont le Bootest qui repose sur une méthode normalisée (NF EN 14742). “Bootest Laboratoire” permet ainsi d’optimiser les conditions de floculation (nature des réactifs, dose) lors de l’épaississement des boues et fiabiliser les tests de déshydratation ultérieurs, tandis que “Bootest Terrain” permet de contrôler la floculation et ajuster ses conditions à la variabilité de la boue.

La nouvelle série X-Xelletor de Flottweg permet de gagner en siccité tout en économisant en polymères et en énergie.

En plus de ses gammes d’agitateurs et d’aérateurs, TMI a conçu et développé toute une série de matériels destinés à la préparation des floculants poudres ou liquides. Ils s’appliquent aux opérations de séparation solide/liquide de déshydratation des boues… La pleine efficacité dépendant largement de la qualité de leur préparation, TMI s’est rapproché d’un important producteur de polyacrylamides, pour concevoir ses installations de préparation de floculants adaptées à tous les besoins.

Conditionner en amont ou en aval des équipements de déshydratation

La presse à boues Volute de Amcon, distribuée par en France par Serinol, permet d’épaissir et de déshydrater les boues tout en autonettoyant en continu et automatiquement les mailles du tamis, ce qui assure un fonctionnement stable et constant sans qu’un lavage haute pression ne soit nécessaire.   

La chaux peut être utilisée pour améliorer les performances des méthodes de séparation liquide/solide, soit lors de la concentration des matières solides, avant filtration, centrifugation ou décantation, opération appelée “pré-chaulage”, soit après la séparation liquide/solide, c’est-à-dire après filtration, centrifugation ou décantation, lors de l'hygiénisation des boues, opération appelée “post-chaulage”.

Le pré-chaulage permet d’améliorer sensiblement les performances des équipements mécaniques de déshydratation en diminuant la compressibilité des boues et par là-même, la résistance spécifique à la filtration. La déshydratation par filtre-presse par exemple, nécessite souvent l’emploi conjoint de chaux et de chlorure ferrique. Lhoist propose le calci-traitement, une solution permettant d’améliorer la déshydratation des boues en associant un réactif calcique au floculant organique habituellement utilisé en amont de l’équipement de déshydratation. Ces réactifs, Neutralac® Calci-Flo ont été développés par Lhoist et SNF Floerger. Les deux groupes ont uni leurs savoir-faire pour proposer une gamme innovante de réactifs hybrides chaux-polymères dédiés au conditionnement des boues car compatibles avec les floculants organiques de déshydratation.
Le RheoScan d’Andritz est un système de mesure optique capable de détecter la viscosité réelle des boues pendant les processus d’épaississement et de déshydratation. Il ajuste ainsi la dose de polymère nécessaire pour s’adapter aux variations de débit et d’état des boues.

Si les boues sont destinées à l’épandage agricole, elles doivent comporter un taux minimal de chaux pour répondre à la norme sanitaire. Ceci est notamment rappelé par la norme NF U44-003 relative aux amendements basiques contenant des matières d’intérêt agronomique issues du traitement biologique des eaux usées urbaines. Le conditionnement à la chaux, en général combiné avec d’autres adjuvants minéraux comme le chlorure ferrique, améliore la siccité et surtout élimine la plupart des bactéries et pathogènes grâce à l’augmentation du pH (au-delà de 12).

Le post-chaulage permet quant à lui de stabiliser et d’hygiéniser une boue en associant l’effet pH 12 et l’effet température (idéalement > 55 °C) produite par la réaction exothermique de la chaux vive sur la boue.

Les unités mobiles de déshydratation des boues que la société Centriboet-Andreu Boet Equipaments propose à la location disposent de leur propre unité de préparation du floculant, intégrée dans un conteneur avec la centrifugeuse, les pompes, le panneau de commande et le convoyeur à vis. Le conditionnement et la déshydratation des boues peuvent être effectués sur place, ce qui permet d’obtenir de très bons résultats en matière de siccité.

Cela a en plus l’avantage d’éliminer les mauvaises odeurs. Au total, une boue hygiénisée, riche en nutriments et améliorant les rendements agricoles. De plus, l’hygiénisation est désormais requise par l’ANSES avant tout épandage (cf. encadré) et une circulaire du 2 avril 2020 interdit l’épandage des boues d’épuration non hygiénisées produites après le début de l’épidémie de Covid-19.

Station d'épuration de Graulhet (81), atelier de déshydratation clé en main 
Huber Technology.

Des sociétés comme EMO ou Sodimate se sont spécialisées dans la conception et la fabrication d’équipements de chaulage des boues, avant ou après la déshydratation. KWI propose également des solutions clé en main de mise en œuvre de chaux dans le traitement des boues grâce à sa fabrication de dispositifs de stockage et de préparation d’unités complètes de toutes tailles.

Orège propose ses solutions SLG® venant s’intégrer en amont de l’ajout de polymère. Le SLG repose sur un traitement triphasique solide/liquide/gaz (air). La structure et la rhéologie des boues conditionnée par le SLG sont modifiées permettant d’améliorer la séparation solide/liquide et la flottation des boues. 

Suez a également développé son propre procédé de pré-chaulage Dehydris™ Lime dont le design spécifique permet une dispersion optimisée de la chaux dans la boue. Le mélange avec une chaux “à effet retard”, dans le cas d’un chaulage préalable à la déshydratation, se fait dans une cuve munie d’un agitateur, conçue et dimensionnée pour cet usage. Pour obtenir un mélange homogène sans déstructurer les boues, donc sans les liquéfier à nouveau, Sodimate a conçu le mélangeur dynamique “MBV”. De conception simple, robuste et compacte, il s’implante facilement dans les filières existantes. La boue passe dans un corps mélangeur où elle est étroitement mêlée à la chaux par deux rotors à pas inverse. Le profil cranté des palettes évite l’encrassement en raclant en permanence les parois de l’auge. La vitesse de rotation et l’inclinaison des palettes s’ajustent afin d’obtenir un mélange homogène.

La Société Poitevine de Filtrage (SPF), avec la collaboration de Choquenet, a mis au point une autre solution de chaulage, le Déshyvac. Il s’agit en fait d’un outil assurant à la fois le conditionnement minéral (chaux et chlorure ferrique) et un début de traitement de la boue par passage sur une bande filtrante sur laquelle est appliqué un vide partiel. Selon la dépression appliquée, le résultat s’apparente à de l’épaississement (siccité finale de 6 à 12 %) ou de la déshydratation (siccité de 16 à 30 %). Il en résulte des boues conformes à la norme NF U44-003, sans ajout du moindre polymère. Pour dépasser les 30 % de siccité, un filtre-presse, en cours de développement, peut être ajouté au Déshyvac.

La société mère de KWI France, SafBon, propose des systèmes complets avec silo de stockage jusqu’à 450 m3, vis convoyeuse et un activateur de silo à chaux de développement propre, qui permet de détruire le pont en arc et le trou de rat à l'intérieur du silo, éliminant ainsi les problèmes de colmatages et d'agglomération lors du transport de la poudre.

Autre pratique qui tend à se développer en aval de la filière de déshydratation : l’ajout de produits desséchants. Ils facilitent ainsi l’excavation, le transport ou la valorisation des boues. Dans cet esprit, la société Aprotek propose ses polymères organiques Apromud (des polyacrylates de sodium et des polyacrylamides) capables d’absorber jusqu’à 300 fois leur poids en eau. Ces polymères deviennent biodégradables à 100 % par voie de compostage industriel (Selon NF 14 995).

On en ajoute de 1 à 20 kg par tonne de boue. Initialement développés pour des opérations comme les vidanges ou les curages, ils peuvent s’intégrer à une filière de traitement de boues. Aprotek propose ainsi un module d’incorporation de ses polymères qui se place en sortie du système de déshydratation. « Nous sommes parfois sollicités pour intervenir derrière une centrifugeuse et améliorer le taux de siccité des boues, explique Stéphane Delheur, gérant-fondateur de la société Aprotek. L’ajout de chaux vive dans les boues permet d’augmenter la teneur en matières sèches jusqu’à une valeur de 30 %, mais c’est un produit minéral qui absorbe l’eau à hauteur de 2 ou 3 pour 1, alors que les produits que nous proposons absorbent l’eau à hauteur de 300 pour 1, soit un rapport d’environ 30.000 % ! ». Le produit mis en œuvre sur ce type d’application, qui appartient à la gamme Apromud®, permet de solidifier les boues pour les rendre pelletables et faciliter leur transport. Selon le dosage, le coût du traitement se situe entre 3 et 30 € le mètre cube.

Ensembles de conditionnement : des systèmes très divers

Un ensemble de conditionnement des boues agit en général en deux étapes : d’abord la préparation et le dosage d’un mélange floculant/eau, puis son injection dans la boue à traiter. EMO, Sodimate, Polymate, Tecnofil ou encore Wamgroup, proposent une gamme complète de centrales de préparation de polymères (automatiques ou non) et de floculateurs (verticaux, horizontaux ou hydrodynamiques).
Dosatron conçoit et fabrique pour sa part des systèmes de dosage fonctionnant sans électricité. Installés sur un réseau hydraulique, ils sont mus par la pression de l’eau. Ces systèmes aspirent le floculant concentré, le dosent et l’homogénéisent avec l’eau dans une chambre de mélange. La ligne Water Line comprend un système dédié au dosage des polymères, fonctionnant à un débit compris entre 10 et 2 500 l/h et permettant de diluer de façon stable le floculant à hauteur de 0,2 à 2 % dans l'eau. Très simple d'utilisation et de maintenance, ce système convient également à des installations mobiles.
Chantier Groupe Suez (Loire-42) curage filtre roseaux. Réalisation Aprotek.

La technologie Flocmaster™ de Nalco Water peut quant à elle préparer un floculant à forte concentration, contrôler son dosage et optimiser le mélange avec la boue. Résultat : une réduction du volume de boues produites (jusqu’à 15 % de la production initiale), une baisse significative de la consommation d’eau et une optimisation des performances et des coûts opérationnels.

Certains fabricants de solutions de déshydratation préfèrent intégrer directement le système de conditionnement à leurs appareils. C’est par exemple le cas de Flottweg, qui injecte directement le floculant en tête de ses centrifugeuses de la série Xelletor.

Orège propose ses solutions SLG® venant s’intégrer en amont de l’ajout de polymère. Le SLG repose sur un traitement triphasique solide/liquide/gaz (air). La structure et la rhéologie des boues conditionnée par le SLG sont modifiées permettant d’améliorer la séparation solide/liquide et la flottation des boues. Il en résulte une amélioration de 3 % de la siccité, une augmentation capacité hydraulique de la ligne de traitement (jusqu’à 50%), une réduction de la consommation de polymères (jusqu’à 30%) et une amélioration du taux de capture.

Alfa Laval propose par exemple un échangeur de chaleur très compact, l’Alsche STW. Dans l’idéal, la chaleur nécessaire est récupérée sur place. Ce type de solution est souvent utilisé en sortie d’un digesteur.

Économiser les polymères

Les polymères représentent une part non négligeable des coûts d’exploitation d’une STEP. Et comme le souligne le cabinet Merlin, la digestion des boues, qui réduit le taux de matière organique, conduit cependant à une consommation de polymères au moins aussi importante.

Il n’est donc pas étonnant que des firmes développent des solutions permettant d’abaisser leur consommation. EMO propose ainsi une manière de se dispenser d’au moins une étape d’ajout de polymère, celle qui se situe entre l’épaississement et la déshydratation. Comment ? En passant directement de l’un à l’autre, sans reprise par pompage, donc sans dommage pour les flocs. La société propose pour cela un système “tout en un” combinant une table d’égouttage avec une presse à bande.

Le « tout en un » s’applique également à d’autres équipements. Suez dispose de plus d’une vingtaine de références de combinés grille d’égouttage Drainis™ GDD/GDE avec presse à bande.

Développé en 2018 par les équipes de R&D du siège d’Huber Technology en Allemagne, le système d’injection haute performance de polymères -SIHP- lancé en France en 2019, permet de limiter la consommation de réactifs de 20 à 30 % tout en augmentant la plage de siccité de 1 à 3 %. est implanté dans la STEP de Graulhet près de Toulouse (200.000 EHB), qui traite en moyenne 125.000 m³ d’eaux usées par jour. La station revendique une baisse de 25 % de consommation de réactifs pour le conditionnement de ses boues. Le système est parallèlement déployé sur les unités mobiles de Huber Technology qui peuvent s’adapter à des chantiers équivalents en termes de rendement de 50 à 150 kg de MS/h à l’heure.

Dans le même souci d’économies de polymères, Alfa Laval a récemment lancé un dispositif améliorant encore les performances de ses centrifugeuses Aldec G3. Le VecFlow®, placé en amont de la centrifugeuse, met en rotation la boue floculée entrant dans la canne d'alimentation. Il en résulte de moindres forces de cisaillement sur les flocs, ce qui permet, indirectement, de réduire d'environ 10 % la consommation de polymère.
Andritz a développé de son côté le RheoScan, un système de mesure optique capable de détecter la viscosité réelle des boues pendant les processus d’épaississement et de déshydratation. Il ajuste de manière précise la dose de polymère nécessaire pour s’adapter aux variations de débit et d’état des boues. Le RheoScan permet de réduire la consommation de polymères et autorise une augmentation du rendement en gaz par un dosage de polymère optimisé pour les boues digérées. Il peut être mis en œuvre sur des filtres à bande et tables d’égouttage de tous les fabricants et dans tous les types d’installations municipales ou industrielles de traitement des boues.
Dans le contexte actuel de crise sanitaire et des restrictions qui pèsent sur l’épandage, les besoins en stockage risquent d’augmenter. Les citernes souples sont une solution rapide, efficace et sans permis de construire, pour mettre en place une réserve supplémentaire, temporaire ou définitive, pour préserver les boues de STEP. Vue de 1.460 m3 de stockage de boues en citernes souples sur la STEP de Landerneau (29).

« Il ne faut jamais perdre de vue qu'une réduction du taux de traitement en polymère ne doit jamais se faire au détriment de la siccité ou de la qualité du filtrat, prévient cependant Jean-François Mischler chez Bucher. Une perte de siccité ne serait-ce que d'un point ne peut généralement pas être compensée par une économie de quelques % sur les coûts de réactifs. Comme en tout, il faut savoir raison garder et à trop chercher la crête on finit souvent par basculer de l'autre côté. Optimiser oui mais cela ne doit pas se faire au prix de la stabilité et de la flexibilité d'usage ». 


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