Compactage des boues par centrifugeuse et filtre à bande presseuse

Un certain nombre de techniques ont été mises au point pour obtenir le compactage de ces boues : elles vont du terrain d’épandage à l'utilisation du filtre-presse à plateaux en passant par d’autres appareils à fonctionnement continu parmi lesquels se trouvent la centrifugeuse et le filtre à bande presseuse.

L’un et l’autre de ces derniers ont connu des périodes d’intérêt et de désaffection dont la raison essentielle semble être la constante progression des techniques qui, plus rapidement dans ce domaine que dans d’autres peut-être, a permis à l'utilisateur l'obtention de performances constamment améliorées.

L’orientation des recherches poursuivies par les constructeurs pour proposer aux collectivités et aux industries des appareils attractifs est en effet bien définie. Elle est basée sur un certain nombre d’options qu'il paraît souhaitable d’améliorer et que nous détaillons rapidement ci-après :

I. — CRITÈRES DE CHOIX DU MATÉRIEL DE COMPACTAGE

1°) Valeurs d’investissement :

• Prix d’achat du matériel ;
• Coût de son installation ;
• Dimensions et prix du local nécessaire.

2°) Valeurs d’exploitation :

• Siccité des boues obtenues et économies éventuelles en résultant ;
• Dépenses de conditionnement (polymères) ;
• Matières consommables : eau/électricité ;
• Maintenance : pièces d’usure ‑ révision ;
• Frais de personnel.

3°) Qualités d’utilisation :

• Fiabilité et facilité de conduite du matériel ;
• Présentation générale ;
• Facilité de nettoyage du matériel et de la salle ;
• Lutte contre les nuisances : bruits, odeurs, humidité.

Après description sommaire des centrifugeuses et filtres à bande presseuse et examen de leur évolution, nous étudierons la façon dont s’appliquent à chacun les critères ci-dessus afin de définir s'il existe une technique qui s’impose d’elle-même ou bien si, suivant la nature des boues traitées, les performances souhaitées et les conditions d’achat et d’exploitation, un choix reste malgré tout nécessaire.

II. — DESCRIPTION GÉNÉRALE DES CENTRIFUGEUSES

Ce sont des matériels simples constitués essentiellement de trois éléments en rotation : un bol, une vis convoyeuse et un réducteur.

• • Le bol est habituellement de forme cylindro-conique et sert à mettre et maintenir la boue en rotation, soumettant celle-ci à une force gravitationnelle correspondant en moyenne à des valeurs comprises entre 1 000 et 3 000 fois la pesanteur terrestre (g).

  Sous cette action, les matières en suspension dans la boue se déposent sur la face interne du bol dans sa partie cylindrique. La vitesse de rotation du bol nécessaire pour provoquer une certaine valeur d’accélération dépend du diamètre de celui-ci. Pour atteindre le même effet, par exemple 1 000 g, une centrifugeuse de petit diamètre (18 cm) tournera beaucoup plus vite (3 150 t/min) qu’une machine de grand diamètre (85 cm — 1 450 t/min).

  Il convient de noter à ce sujet qu'il faudra toujours rechercher la plus faible vitesse de rotation possible pour réduire les effets d’abrasion et améliorer la tenue mécanique de l'appareil.

• • La vis convoyeuse est concentrique au bol et située à l'intérieur de celui-ci. Elle tourne à une vitesse

très légèrement différente (5 à 30 t/mn) et a pour fonction de réaliser l'évacuation en continu du solide décanté dans la partie cylindrique du bol. Pour cela, elle provoque d'abord son convoyage vers la partie conique, ensuite son transfert à l'intérieur du cône jusqu'à l'extrémité de l'anneau liquide créé par la centrifugation, puis son séchage dans le reste du cône (le liquide restant retourne vers le grand diamètre sous l'action de l'accélération), enfin, son évacuation à l'extérieur du bol. La vis convoyeuse est la seule pièce sujette éventuellement à l'usure des particules abrasives contenues dans la boue. L'extrémité de ses filets ainsi que les zones servant à la mise en rotation et à l'évacuation du solide sont habituellement protégées par un revêtement spécial.

Le réducteur a pour objet de rendre possible l'entraînement à une vitesse relativement faible (5 à 30 t/mn) de deux pièces (bol et vis) tournant vite (par exemple bol 2 500 t/mn – vis 2 510 t/mn). S'il n’existait pas, l'effort engendré par le convoyage des solides soumis à l'accélération provoquerait un glissement des courroies d'entraînement qui annulerait la vitesse relative et provoquerait le bourrage de l'appareil.

Les réducteurs habituellement utilisés pour assurer un rendement maximum, de nombreuses années d'utilisation et un fonctionnement silencieux sont choisis avec des éléments qui roulent les uns sur les autres, à l'exclusion de tout pignon et engrenage. Le réducteur est toujours protégé par un limiteur de couple et un dispositif électrique qui évite toute détérioration en cas de surcharge ou de blocage accidentel de la vitesse relative du bol par rapport à la vis convoyeuse.

III — FONCTIONNEMENT ET ÉVOLUTION DES CENTRIFUGEUSES

Les premières centrifugeuses construites et utilisées pour le compactage des boues étaient du type contre-courant (figure 1).

Elles sont ainsi appelées parce que dans la partie cylindrique le solide et le liquide circulent en sens inverse : en effet, la boue est introduite à proximité de la section cylindro-conique du bol.

Les solides les plus lourds décantent alors immédiatement et sont évacués à l'extrémité du cône. Mais, les solides légers doivent sédimenter dans la partie cylindrique malgré les perturbations engendrées par le contre-courant. S'ils y parviennent, ils doivent ensuite traverser la zone d'alimentation avant d'être évacués dans le cône et beaucoup sont ainsi remis en suspension.

Vers 1964, les premières centrifugeuses du type équi-courant, conçues par nos soins, furent utilisées pour le compactage des eaux résiduaires.

La boue est alors introduite à l'extrémité cylindrique du bol ; on obtient ainsi que solide et liquide circulent dans le même sens dans la partie cylindrique.

Un seuil situé à la section cylindro-conique permet l'évacuation du liquide clarifié par l'intérieur du corps cylindrique de la vis convoyeuse. On évite ainsi les turbulences et l'on obtient soit une augmentation du débit, soit un meilleur rendement de séparation (taux de capture).

Mais, ces appareils présentaient alors plusieurs faiblesses :

• - les revêtements des pièces d'usure étaient insuffisants ;
• - la distribution de la boue à l'intérieur du bol était réalisée par une pièce ayant la forme d'un corps de pompe dont le bouchage des aubes obligeait à faire précéder la centrifugeuse d'une pompe dilacératrice ou d'un tamis vibrant. De nouveaux distributeurs axiaux à double chambre de mise en accélération furent bientôt mis au point. Ils sont imbouchables, faciles à protéger de l'abrasion et évitent l'usure du bol dans la zone d'alimentation ;
• - l'angle important de la partie conique (11°) gênait l'évacuation des solides, notamment lorsque les boues présentaient un certain caractère colloïdal. En effet, la composante de l'accélération tend constamment à faire refluer vers le grand diamètre les particules les moins agglomérées. Il se produisait alors des bourrages de la centrifugeuse (refus d'extraction) que seule une réduction de l'accélération par diminution de la vitesse de rotation pouvait combattre.

Ceci obligeait à utiliser des dispositifs à vitesse variable et donnait à l'ensemble une insuffisante fiabilité qui a contribué beaucoup à cette époque à la désaffection qu'ont montré beaucoup d'utilisateurs et de conseillers à l'égard de la centrifugation.

En 1973 et les années suivantes, les angles de cône des centrifugeuses ont été fortement réduits.

L'emploi de bols légers en fibres de verre/Epoxy s'est de plus en plus répandu.

Dans le même temps, les appareils ont été adaptés (figure 2) de façon à permettre à l'utilisateur de se servir de la même machine soit en équi-courant, soit en contre-courant par simple substitution de la vis convoyeuse.

En effet, si la version équi-courant assure une meilleure clarification et en général une meilleure siccité des boues du fait de leur compactage dans la zone cylindrique, la

version contre-courant permet des débits plus importants et une sensibilité moindre à l'abrasion.

Ainsi, dès 1979 (figures 3 et 4) la technique de la centrifugation des boues retrouvait-elle un intérêt certain auprès de nombreux utilisateurs.

Elle reste toutefois critiquée par d'autres pour trois raisons essentielles :

• — Siccité résiduelle des boues insuffisante ;
• — entretien onéreux dû à la sensibilité à l'abrasion ;
• — puissance motrice plus élevée que pour la filtration.

IV. — NOUVELLE CENTRIFUGEUSE POUR COMPACTAGE ET CONCENTRATION

Une nouvelle génération de centrifugeuses est mise dorénavant sur le marché :

• • Puisqu'il faut réduire l'abrasion, il s'agit donc d'appareils du type contre-courant dont les filets de la vis convoyeuse sont équipés de tuiles de carbure de tungstène fritté. Cette formule permet une augmentation importante de la durée de service de la vis convoyeuse et un abaissement sensible du prix de la réparation ou de l'échange standard de celle-ci ;
• • Puisqu'il faut conserver le rendement de clarification (taux de capture) et ménager la puissance motrice, il s'agit donc d'une machine dont la partie cylindrique est fortement allongée ;
• • Puisqu'il faut faciliter l'extraction des solides à caractère colloïdal (boues organiques-biologiques) l'angle du cône reste très faible. Ceci améliore la clarification, abaisse la quantité de polymères nécessaire au compactage et permet de même une utilisation sans polymères avec un taux de capture plus réduit. Ceci permet également l'utilisation sans polymères pour la concentration des boues ;
• • Puisqu'il faut augmenter la siccité résiduelle des boues, deux dispositifs brevetés ont été étudiés, testés et mis en place :
  • — l'un permet de compenser le faible angle du cône lorsque les particules solides sont extraites du liquide et présentent moins de risques d'y retourner,
  • — l'autre consiste à obtenir automatiquement, par un appareillage simple, fiable et non consommateur de puissance, un asservissement entre la vitesse relative de la vis convoyeuse par rapport au bol et le couple constamment engendré par l'extraction des solides.

Ainsi, de par sa conception même, cette nouvelle centrifugeuse est capable d'assurer deux fonctions qui jusqu'à maintenant nécessitaient deux appareillages différents : compactage ou concentration des boues.

Elle devrait ainsi apporter une solution élégante à de nombreux problèmes qui n'ont pas encore trouvé, pour différentes raisons, la technologie appropriée.

V. — DESCRIPTION GÉNÉRALE DES FILTRES À BANDE PRESSEUSE

La technologie consiste à recueillir la boue floculée au polyélectrolyte entre deux bandes filtrantes généralement en polyester tissé.

En général, l'une de ces bandes sert d'abord à obtenir que par simple égouttage une partie importante de l'eau de suspension soit éliminée. Ensuite, le pressage est très progressif, obtenu souvent par diminution successive du diamètre des rouleaux servant de support pour l'enroulement des bandes et le cisaillement du gâteau.

Dans la plupart des cas, la pression est obtenue par tension des bandes.

Il existe en Europe une douzaine de constructeurs qui, tous en 1977, utilisaient ce même principe avec des variantes de complication plus ou moins élaborées.

À cette époque ces filtres rencontraient un succès certain basé notamment sur les argumentations suivantes :

• — Faible puissance absorbée (entraînement 1 à 2 kW + surpresseur d’eau de lavage des bandes) ;
• — Meilleure siccité résiduelle des boues qu’avec les filtres à vide et centrifugeuses ;
• — Silence de fonctionnement ;
• — Ensemble mécanique complexe mais rustique et d’entretien facile.

VI. — EXOPRESSE

La création et la commercialisation en 1977 du filtre à bande Exopresse résultent des réflexions suivantes :

• — Il est illogique d’utiliser la même toile filtrante pour l’égouttage et le pressage des boues. Au pressage, il est indispensable d’utiliser une toile fermée (60 à 80 microns) pour éviter que sous l’effet de la pression les fines particules ne traversent cette toile et chargent les effluents. Comme à l’égouttage, une toile ouverte (300 à 600 microns) ne provoque pas de pertes ; pour un même travail sa surface peut être 5 à 10 fois moins grande ;
• — Il n’est pas normal de fixer la même vitesse d’avancement des toiles pour l’égouttage et le pressage. L’une doit être réglable par rapport à l’autre ;
• — La pression d’une boue entre deux toiles ne peut être obtenue que sous l’effet d’une forte traction et malgré tout peut difficilement dépasser 0,6 bar.

Deux conséquences : usure des toiles et nécessité d'un bâti onéreux parce que conçu pour résister à des efforts importants.

Principe de fonctionnement (figure 5).

La boue préalablement floculée (1) est déversée par l’alimentateur (2) sur la toile d’égouttage à larges mailles (3). Elle subit à la suite d'un simple égouttage trois essorages successifs et progressifs (4) et (6) précédés chacun d’un drainage très efficace de l'eau à évacuer grâce à l’emploi d'un dispositif simple (5).

Après avoir perdu 60 à 80 % de son eau, la boue est séparée du tamis d’égouttage (3) par un racleur (8). Elle tombe sur la toile de pressage (9) dont les mailles sont 5 à 10 fois plus serrées que celles de la toile d’égouttage (3).

Des rouleaux (12) écrasent successivement et progressivement la couche de boue contre le tambour (10) tandis que la tension exercée sur la toile occasionne une pression uniforme sur toute la surface de la boue enroulée sur le tambour. L’eau s’écoule ainsi au travers de la toile de pression.

Enfin, la siccité et la consistance atteintes par la boue permettent son laminage et son essorage final sous forte pression entre le cylindre (13) et le tambour (10). La boue essorée est détachée de la toile de pression (9) par un racleur (14) pour être évacuée par un moyen approprié.

Les toiles filtrantes (3) et (9) sont nettoyées en permanence par des rampes de lavage à pulvérisateurs (19).

L’effluent de l'égouttage peut être repris partiellement par une pompe et être utilisé pour le lavage des toiles filtrantes (3) et (9) ou la dilution de la solution mère du floculant.

Par son originalité, ce filtre à bande offre de nombreux avantages :

• — Les toiles d’égouttage et de pressage étant différentes, leur qualité et leur ouverture de maille sont adaptées aux fonctions qu’elles ont à remplir ;
• — Leur vitesse d’avancement peut être réglée de façon indépendante ;
• — La toile d’égouttage n'est pas soumise à forte traction ni à des phénomènes de glissement pouvant provoquer son usure ;
• — La toile de pression est unique et non double. Elle est courte (5 mètres environ) donc peu onéreuse. Elle n’est pas soumise à de gros efforts puisque la pression sur la boue est exercée par l’action des rouleaux sur le tambour central ;

• — Entre le tambour et le dernier rouleau, la boue peut être soumise à une pression pouvant approcher 10 bars selon les modèles, valeur impossible à atteindre entre deux toiles tendues ;
• — Les deux toiles étant équipées d’un lavage séparé sont peu sujettes au colmatage ;
• — N’étant pas soumis à de gros efforts de tension de toiles, le filtre est constitué d'une structure légère facile à protéger de la corrosion. Son prix est donc avantageux.

Depuis la date encore récente de sa commercialisation, de nombreux Exopresses ont été mis en service avec différents types de boues (figure 6) :

• — Urbaines : digérées, physico-chimiques, stabilisées, aération prolongée, fraîches ;
• — Industrielles : papeterie, malterie, brasserie, lisiers, amiante, distillerie, conserverie, teinturerie, industrie chimique et pharmaceutique.

C’est un appareil de performances classiques, économique à l'achat et à l'exploitation (figure 7).

VII. — MULTIPRESSE

Mais de plus en plus, les recherches s’orientent vers des appareils permettant l’obtention de siccités élevées. Les filtres-presses à plateaux atteignent de bonnes performances dans ce domaine mais restent sujets à un certain nombre de contraintes :

• ● Prix d’achat et d’implantation élevés (généralement deux fois celui d’une centrifugeuse) ;
• ● Conditionnement minéral généralement nécessaire, créateur d’une proportion non négligeable de matière inerte et nécessitant l'implantation d’un appareillage complexe et coûteux (silo à chaux et à chlorure ferrique) ;
• ● Fonctionnement par déblayage automatisé et non continu ;

• Lavage des toiles manuel ou automatique à 100 bars de pression.

Le nouveau filtre à bandes Multipresse, d'une conception originale brevetée, est un compromis entre le filtre-presse à plateaux et le filtre à bandes presseuses. Son travail en couche mince lui permet d’éviter les conditionnements minéraux et, grâce à sa disposition, il peut atteindre les plus hautes siccités dans le compactage des suspensions solide/liquide, grâce à la durée du pressage et à la forte pression appliquée.

Les valeurs obtenues, fondamentales en filtration, distancent de très loin celles en pratique sur les filtres à bandes presseuses actuellement sur le marché. De plus, la pression exercée sur la boue n’a pas de relation avec la force de tension appliquée aux bandes filtrantes, ce qui garantit à celles-ci une durée de vie largement supérieure à celles des machines classiques.

Principe de fonctionnement.

La suspension, préalablement conditionnée (floculation), et égouttée dans le bloc des modules prévus à cet effet, est introduite entre deux bandes filtrantes A et B (figure 8).

Le sandwich ainsi formé est pressé autant de fois qu'il est engagé entre les plateaux P de la presse hydraulique, le passage sur les rouleaux de renvoi R assurant le cisaillement préalable à chaque pressage.

Le temps de pressage T = t (n — 1) résulte du produit de t (temps de pressage entre deux déplacements pas à pas du sandwich) par n (nombre de plateaux presseurs) — 1.

VIII. — COMPARAISON DES COÛTS D’INVESTISSEMENT ET D’EXPLOITATION

• nature des boues : fraîches mixtes (primaire + activées 50/50), • concentration en matières en suspension : 60 g/l, • débit annuel des boues : 12 000 m³/an — 720 t de MS, • débit horaire de boues : 6 m³/h — 360 kg/h MS (sur la base de 8 h/jour soit 2 000 h/an).

Les valeurs ci-après très généralement définies, ne sont données qu’à titre indicatif.

MATÉRIEL UTILISÉ :

Siccité des boues obtenues

4. Entretien :

- Mise en route/arrêt (1/2 h/j – 30 F/h) ..................................................... 3 750 F 3 750 F 3 750 F  
- Nettoyage et vérification annuelle (40 heures) ...................................... 1 200 F 1 200 F 1 200 F  
- Pièces de rechange (roulements, joints, divers) ....................................... 3 000 F 2 000 F 4 000 F  
- Pièces d’usure :  
  — réparation ou échange standard de vis pour centrifugeuse ............. 15 000 F  
  — bandes filtrantes pour filtre (325 F/m² – 5 000 h) ................................. 3 120 F 12 480 F  

Total annuel exploitation ............................................................................... 61 630 F 62 935 F 74 120 F  

Valeur annuelle amortissement linéaire de l’investissement du matériel sur 10 ans ..................... 58 500 F 38 600 F 42 100 F  

Valeur annuelle d’amortissement de l’investissement du local sur 20 ans ................................ 4 050 F 5 400 F 5 100 F  

Coût total annuel y compris amortissement ................................................ 104 280 F 110 435 F 137 720 F  

IX. — REMARQUES

Centrifugeuses.

La cadence de réparation des vis de centrifugeuse est fonction du caractère plus ou moins abrasif des boues. Les chiffres indiqués sont des valeurs moyennes correspondant à une durée de service de 4 000 heures.

Cette durée peut être sensiblement augmentée par des boues flottées ou bien dessablées. Les nouveaux revêtements par tuiles de carbure de tungstène fritté permettent également une économie sensible par allongement de la durée de service.

Seule la centrifugeuse permet éventuellement de travailler sans utilisation de polymère avec un taux de capture abaissé (70 à 85 %).

Travaillant en enceinte fermée, la centrifugation permet la création de locaux faciles à entretenir et à l’abri de l'humidité ambiante (figure 9).

Des modules compacts de centrifugation (figure 10) réunissent sous un faible volume l'ensemble des accessoires nécessaires à un fonctionnement continu. Ils peuvent servir de postes mobiles ou être déposés en utilisation fixe à l'intérieur d’un local existant. Carrossés et insonorisés (figure 11) ils peuvent éviter la construction d'un bâtiment.

Exopresse.

Le faible budget pour pièces de rechange et d’usure d’Exopresse est dû à trois raisons :

• simplicité de l'appareil ;
• faible longueur des toiles (5 + 7 mètres) ;
• faible tension de celles-ci.

La légèreté apparente de la structure du filtre Exopresse est due à la faiblesse des efforts et contraintes auxquels elle doit résister : pas de traction sur la toile d’égouttage, tension modérée de la toile de pressage. Cette particularité favorise le prix de l'appareil donc l'investissement.

Une version simplifiée d'Exopresse dénommée Exobande procure des performances de siccité moins élevées mais son prix d’achat est inférieur de 40 % à celui de l’Exopresse.

Multipresse.

S’agissant d'un filtre en début de commercialisation, les chiffres indiqués dans le tableau précédent, notamment ceux concernant l'entretien, n’ont pu être qu’évalués.

La durée des toiles a été estimée à 5 000 heures alors qu’en raison de l’absence de traction il est vraisemblable que leur durée sera supérieure.

D’autre part, la détérioration partielle d'une toile n’entraînera pas automatiquement le changement total de celle-ci.

CONCLUSION

Aucune technique ne s’impose d’elle-même et le choix reste nécessaire en fonction des résultats souhaités. En particulier la siccité des boues après compactage peut être appréciée selon des critères différents en fonction de leur destination, et conduire éventuellement à une réévaluation du bilan financier précédent :

• critères qualitatifs : facilité de manutention ou de stockage provisoire (pelletabilité) ;
• critères quantitatifs : économies sur les coûts de transport (décharge), économies de chaleur (incinération).

Une notion fondamentale à retenir est l’évolution actuelle étonnamment rapide de la technologie en matière d’appareillage de compactage des boues. Elle tend constamment vers l’obtention de performances améliorées qui ne pourront que satisfaire les utilisateurs des stations d’épuration et rendre plus facile, agréable et économique la fonction souvent ingrate qu’ils ont à assumer.