Comparaison technico-économique des divers procédés de déshydratation mécaniques des boues séchées

par , Ingénieur-Chimiste, Docteur ès-Sciences, Directeur Technique de l’Institut de Recherches Hydrologiques (I.R.H.) à NANCY.

Communication faite par l’auteur le 6 juin 1978, à Marseille, à la Journée de la Filtration, organisée par la Société Française de Filtration.

LE PROBLÈME DES BOUES

C'est malheureusement une évidence : la quasi-totalité des procédés d’épuration, qu’ils soient biologiques ou physico-chimiques, conduisent à la concentration des polluants sous la forme de suspensions aqueuses ou boues.

Le problème des boues constitue une phase de la lutte contre la pollution qui s'avère difficile, un casse-tête pour l’épurateur, pour des raisons multiples : raréfaction des terrains disponibles pour l’épandage et le dépôt, nécessités et exigences de l’environnement et de l’hygiène publique, etc.

Par ailleurs, il y a l’importance économique de ce problème, qui s’illustre par le fait que le coût, tant en investissement qu'en exploitation, représente de 30 à 60 % de l’ensemble du traitement des eaux.

CARACTÉRISATION DES BOUES PHYSICO-CHIMIQUES

Origine.

L’élimination de la pollution des eaux usées domestiques, due aux insolubles finement divisés ou à l'état colloïdal, par l’intermédiaire de réactifs chimiques divers (électrolytes à polycations, polymères organiques de synthèse), ajoutés aux effluents, conduit à la production de suspensions boueuses plus ou moins concentrées, séparées de l’eau traitée par des appareillages faisant appel aux mécanismes de décantation ou de flottation.

Nature et production.

Il faut prendre conscience de l’extrême diversité de ces boues, ce qui s’explique aisément, si l’on considère le degré de pollution très différent des effluents par suite de leur plus ou moins forte dilution, la variété des réactifs utilisés sous forme de combinaisons binaires ou ternaires, à des dosages plus ou moins importants. Le bilan volumique et massique est variable d'une boue physico-chimique à l'autre, car il dépend dans une large mesure de la charge polluante en insolubles des effluents traités, du conditionnement chimique et des dosages appliqués, du type de matériel de séparation (décanteurs du type clarifloculateurs et à lames minces, ou aéroflottateur) mis en œuvre.

Composition chimique et structurelle.

Leur composition chimique est liée intimement aux matières polluantes organiques et minérales présentes dans les effluents et à la quantité de réactifs ajoutés, qui se retrouvent généralement dans ces boues sous forme d’hydroxydes métalliques ou de précipités minéraux (CaCO₃). Du point de vue structurel, ce sont de véritables systèmes colloïdaux à caractère hydrophile prédominant, dont la forte stabilité est déterminée par la nature des propriétés de surface des colloïdes et par les interactions interparticulaires.

DESCRIPTION RAPIDE DES FILIÈRES DE TRAITEMENT ENVISAGEABLES POUR LES BOUES PHYSICO-CHIMIQUES

Comme pour les boues biologiques, les diverses filières possibles auront toujours un double objectif :

— réduction du pouvoir fermentescible par la mise en œuvre de procédés de stabilisation ;

— réduction du volume des boues par élimination plus ou moins poussée de leur humidité.

Stabilisation des boues.

Moins fermentescibles en général que les boues biologiques, il est absolument faux de penser qu’elles ne subissent plus d’évolution biologique. Leur stabilisation indispensable peut être réalisée par voie biologique (digestion anaérobie par exemple) ou chimique (par exemple adjonction massive de chaux), seul procédé actuellement mis en œuvre en France.

Méthodes de traitement assurant la réduction de volume des boues physico-chimiques.

Les moyens généralement mis en œuvre sont les techniques d’épaississement et les procédés de séchage naturel ou artificiel.

a) L’épaississement.

Quoique conduisant à la conception d’ouvrages importants en surface et en volume et à des concentrations des purges n’excédant pas 3 à 4 % de MS, l’épaississement gravitaire reste la technique la plus utilisée, car la plus économique et fiable, et la seule à assurer, de par son effet tampon, la sécurité et la régularité de l’exploitation de la chaîne de traitement des boues.

Séduisantes si l’on considère le faible encombrement du matériel et les concentrations élevées (5 à 6 % de MS) atteintes, les techniques d’épaississement par aéroflottation

et par voie centrifuge présentent des frais d'exploitation beaucoup plus élevés et nécessitent une préparation indispensable de la phase boueuse à traiter.

a) Le séchage.

Pour les stations de faible importance, le séchage naturel sur lits de sable, ou éventuellement dans des sacs filtrants, reste la technique de dessiccation la plus utilisée, en raison essentiellement des faibles frais d'investissement.

Pour les stations de localités plus importantes et les grandes villes, on a recours à la déshydratation mécanique.

Les moyens mécaniques industriels de déshydratation relèvent de deux principes : la filtration et la centrifugation, dont les techniques principales, pour lesquelles nous préciserons les avantages et les inconvénients, sont :

— la filtration sous vide, — la filtration sous pression élevée (15 bars) et sous pression progressive, — la décantation centrifuge.

Il est indispensable, pour obtenir des performances satisfaisantes, sur le plan aussi bien de la séparation des phases solide-liquide que des capacités de production des appareillages utilisés, de procéder au conditionnement préalable de la boue, qui est réalisé le plus souvent au moyen d'adjuvants chimiques (réactifs minéraux ou polymères organiques de synthèse) et éventuellement par autoclavage.

La détermination, sur la base de considérations aussi bien techniques qu'économiques, du meilleur système de conditionnement (choix du produit commercial à utiliser, évaluation de son dosage) à appliquer devra être effectuée sur chaque type de boue, à partir d’essais de laboratoire (utilisation du test de filtrabilité par succion capillaire et d'essais de filtration).

COMPARAISON DES DIFFÉRENTS PROCÉDÉS DE SÉCHAGE MÉCANIQUE – BILAN TECHNICO-ÉCONOMIQUE

L’objectif de tous les procédés de séchage est d'aboutir à une boue « pelletable » (siccité minimale = 20 % MS), de façon à réduire le plus possible les problèmes posés par la manutention de ces déchets boueux.

Nous allons faire une analyse des différentes techniques pouvant être mises en œuvre, en dégageant leurs avantages et leurs inconvénients.

1. Déshydratation des boues par filtration sous vide.

La filtration sous vide constitue le procédé de déshydratation traditionnel, dont on maîtrise parfaitement le fonctionnement pour les boues urbaines.

Les filtres à tambour rotatif, surtout dans leur version perfectionnée à sortie de toile rendant possible le lavage continu du médium filtrant, ont connu un grand essor, mais ils semblent actuellement en perte de vitesse.

Pour la déshydratation des boues physico-chimiques, la mise en œuvre de cette technique n'est pas sans présenter des inconvénients notables :

— encombrement important de l'installation de filtration, qui restitue des gâteaux de filtration relativement humides à la « pelletabilité » (18 à 22 % de MS en général) ; — frais d'exploitation élevés, si l'on englobe les besoins en réactifs et la consommation d’énergie (on table sur 1,5 kW par mètre carré de surface filtrante) ; — l'obtention de capacités de filtration (en kg MS/m²/h) satisfaisantes implique obligatoirement que les boues soient conditionnées au moyen de floculants polymériques anioniques (dosage = 2 à 3 kg par tonne de MS de la boue), réactifs qui ne s’adaptent pas très bien à ce type de procédé.

On note souvent le phénomène de manque de « pick-up » ou déroulement du gâteau à la sortie d'immersion du tambour. Cela se traduit par la formation d'un gâteau trop épais, dont la cohésion n'est pas suffisante et qui, par suite, s'effondre pour ne laisser pratiquement plus rien sur la toile.

Le tableau suivant fournit, dans le cadre de l'expérimentation de NICE-FERBER (2), les capacités et les performances (rendement de séparation, siccité des gâteaux) obtenues par un filtre à tambour rotatif, en fonction de l’épaississement et du conditionnement polymérique préalable de suspensions boueuses de nature différente.

2. Déshydratation des boues par filtration sous pression.

D'application de plus en plus fréquente dans le traitement des boues d’épuration, c'est cependant l’appareil d’investissement le plus coûteux dans pratiquement tous les cas.

Son succès s'explique dans la mesure où sa version moderne, mécanisée, autorise un minimum de main-d'œuvre ou de surveillance pour la décharge des gâteaux ou pour le lavage des toiles, grâce aux perfectionnements des automatismes réalisés.

Par ailleurs, le filtre-presse, assurant une filtration sous très forte pression (15 bars), se place incontestablement comme le moyen technique le plus sûr et le plus fiable pour :

• obtenir des siccités élevées des gâteaux de filtration, permettant leur auto-combustibilité en incinération ;
• faire face aux exigences plus sévères de décharge ;
• et, le cas échéant, limiter de façon notable les frais de transport des boues déshydratées à partir d'endroits éventuellement éloignés des décharges.

Les filtres-presses modernes mis en œuvre sont généralement du type à plateaux chambrés, plus facile à mécaniser pour la décharge des gâteaux, par rapport à l'exécution à cadres dont l'automatisation est plus compliquée et coûteuse. De plus, ces filtres sont bien adaptés aux épaisseurs de gâteaux généralement pratiquées, s'échelonnant entre 20 et 30 mm, en raison des temps de pressée sinon trop longs, car directement proportionnels au carré de l'épaisseur du gâteau.

Pour les boues physico-chimiques, les temps de pressée pratiqués sont de 1 à 6 heures, et le plus souvent on les limite à 1-3 heures.

Les deux tableaux ci-après résument les résultats de déshydratation en station pilote, obtenus sur des boues physico-chimiques de nature différente par l'IRH lors des essais de NICE-FERBER (2), ainsi que des résultats d'exploitation obtenus au niveau de stations d'épuration françaises sur des filtres-presses industriels.

Résultats d'essais sur filtres-presses industriels.

Résultats d'essais pilotes (Expérimentation NICE-FERBER).

À la lumière de ces résultats, il s'avère qu'à l'exception des boues issues du traitement des eaux usées par adjonction massive de chaux, c'est-à-dire élévation du pH à 11,5, toutes les boues physico-chimiques devront être conditionnées préalablement pour pouvoir être filtrées de façon satisfaisante à l'échelle industrielle.

Le conditionnement minéral (utilisation de chaux et, à un degré moindre, de la combinaison FeCl₃ + Ca(OH)₂) est le mieux adapté ; il permet d'obtenir, suivant la nature des boues, leur concentration en MS et le taux de conditionnement appliqué, des gâteaux particulièrement secs, dont la siccité se situe entre 36 et 45 % de MS.

Le conditionnement polymérique est à déconseiller en raison des difficultés souvent rencontrées : danger de collage des gâteaux généralement plus spongieux et pertes de temps dues aux lavages fréquents des toiles.

Il convient de noter l'incidence très nette de la concentration de la boue, qui influe de façon pratiquement linéaire sur la capacité du filtre-presse. L'épaississement préalable de la boue conditionne le dimensionnement du filtre.

Perspectives de la filtration sous pression élevée.

Il nous paraît important de signaler le développement récent, à côté des filtres-presses modernes où il est encore indispensable de superviser la décharge des gâteaux (ce qui mobilise un préposé de 20 à 30 minutes par cycle), des filtres-presses entièrement automatisés, dont le principe fondamental réside dans la production de gâteaux de faible épaisseur, par lesquels on minimise le temps de déblayage par une décharge simultanée des gâteaux (une minute environ). Actuellement encore à l'échelle expérimentale, ce procédé de filtration automatique en couche mince devrait avoir un essor spectaculaire lors des prochaines années.

3. Déshydratation des boues physico-chimiques sur filtres presseurs à bande.

La technique de filtration sur bande a connu un intérêt croissant ces dernières années, surtout dans les petites et moyennes stations d'épuration urbaines. Elle doit essentielle-

…ment son développement aux progrès accomplis dans la floculation des boues par la mise en œuvre éclairée des polymères organiques de synthèse les mieux adaptés.

De par son principe, il s'agit d'une déshydratation progressive, qui s'effectue en trois temps sur des boues bien floculées :

— dans un premier temps, par simple égouttage de l'eau interstitielle libérée par la floculation, sorte de drainage selon le principe de la filtration sous très faible pression ;

— dans un second stade, par pressage, ce qui rend le gâteau filtrant compact, selon le principe même de la filtration sous pression (à 2 ou 4 bars) ;

— enfin, par le cisaillement de la masse, pour en extraire le maximum d'eau libre et liée, et pour lequel sont combinées les techniques de pression et de cisaillement.

Le procédé de filtration existe sur le marché sous différentes variantes constructives :

— Allemandes : Siebbandpresse et S-Presse KLEIN, Winkelpresse BELLMER ;— Scandinave : Suction-Filter-Press APAG ;— Suisse : Tour filtrante GUVA ;— Anglaise : Filtre SMITH-LOVELESS ;— Françaises : Flocpresse, Pressdeg, Exopress...

Réalisé sur un appareillage horizontal ou vertical, ou bien en combinaison horizontale-verticale, il comprend une bande unique (pour les appareils horizontaux) ou double (appareil vertical ou combiné), la pression étant exercée par une bande auxiliaire presseuse et non filtrante (pour le cas de la bande filtrante unique).

La bande presseuse emprisonnera la boue, déjà suffisamment consistante, sur la première partie de la bande filtrante, et l'essorage se poursuivra par l'application de pressions progressivement plus fortes, à l'aide de rouleaux agissant sur la bande presseuse.

Il convient de noter que la pression appliquée, même finale, reste réduite par rapport au filtre-presse ; elle est limitée au risque de fluage latéral de la boue. La phase préliminaire d'égouttage a de ce fait une importance essentielle, car elle permet de donner à la boue une plus grande cohésion et une meilleure résistance à la phase ultérieure de pressage proprement dite.

Une parfaite répartition de la boue floculée sur toute la largeur de la bande est par ailleurs nécessaire, si l'on désire optimiser la capacité de production de ces appareillages (exprimée en kg MS/m de largeur de bande/heure) et la siccité des gâteaux produits.

Le tableau ci-après renferme des résultats d’exploitation ou d'essais obtenus sur des boues physico-chimiques de nature différente par ce type de matériel de déshydratation.

Les avantages de cette technique se ramènent aux points suivants :

— robustesse, simplicité de construction et de conduite des appareillages, qui peuvent être montés sur plate-forme mobile ;— procédé de déshydratation continu, fiable à condition de réaliser une bonne floculation des boues par des polymères appropriés à caractère généralement anionique. On évite, avec ce type de filtre, une difficulté souvent rencontrée avec le filtre rotatif à tambour, à savoir : le mauvais accrochage des gâteaux au moment de l'émersion du tambour ;— frais d’exploitation très faibles en ce qui concerne la consommation électrique (5 – 20 kWh/t MS de la boue), du même ordre de grandeur que dans les autres procédés de déshydratation pour les besoins en réactifs polymériques.

Quelques inconvénients cependant :

— consommation non négligeable d'eau propre pour le lavage des toiles filtrantes ; ces eaux renferment par ailleurs des teneurs en MS de 300 à 500 mg/l ;— coût d'investissement encore assez élevé pour les filtres les plus performants ;— l'impossibilité d’atteindre, par cette technique, des siccités des gâteaux égales à celles pouvant être obtenues sur filtres-presses, à fonctionnement discontinu sous des pressions de 15 bars. Les gâteaux restitués par ces appareillages sont généralement compacts, leur siccité est en général un peu plus élevée que celle obtenue par filtration sous vide et par centrifugation.

Déshydratation mécanique des boues physico-chimiques par centrifugation.

La centrifugation, appliquée en déshydratation des boues, met en œuvre des centrifugeuses du type « décanteuse continue à axe horizontal », machines constituées d'un bol plein tournant à grande vitesse, séparant les phases solide-liquide (on peut atteindre 3500 g), et d'une vis racleuse hélicoïdale coaxiale au bol, qui permet l'extraction en continu des boues déshydratées.

On trouve sur le marché, sous des appellations diverses, de nombreuses centrifugeuses type « décanteuse », fabriquées par une série de constructeurs : GUINARD, ROBATEL-MULATIER, WESTFALIA, ALFA-LAVAL-PENWALT-SHARPLES, KRUGER, HUMBOLDT, etc.

Toutes ces machines possèdent des paramètres constructifs qui leur sont propres, et dont dépendent évidemment les performances de centrifugation pouvant être obtenues, à savoir :

— le rendement d’extraction des matières solides, et— la siccité du sédiment évacué de l'appareil.

Il convient — ce qui est assez délicat à effectuer a priori — de procéder au choix du type de machine à utiliser, en fonction des propriétés physico-chimiques et structurelles de la boue à traiter.

Par ailleurs, il est important de signaler que l’obtention de performances optimales de centrifugation nécessite un réglage judicieux des paramètres « machine » et une adaptation rigoureuse des paramètres opérationnels à la nature des matières boueuses à déshydrater.

Nous faisons figurer, dans le tableau ci-dessous, les facteurs répondant généralement de l’efficacité d’une décanteuse continue.

Il faut noter les grands progrès réalisés ces dernières années dans la construction des appareils de centrifugation pour rechercher des performances satisfaisantes, conciliables avec un coût d’investissement acceptable :

• adoption d’une meilleure géométrie du bol (généralement cylindro-conique à faible angle de conicité : 4 à 8°) ;
• meilleure utilisation des variations de l’anneau liquide (en système équi-courant ou contre-courant) ;
• alimentation axiale dans presque tous les cas, avec peu ou pas de restriction de passage.

En outre, l’utilisation, de façon beaucoup plus rationnelle, d’adjuvants polymériques de plus grande efficacité (sélection au laboratoire des meilleurs floculants, par l’intermédiaire du test d’évaluation de la résistance des boues floculées au cisaillement, mis au point par l’I.R.H.), a permis d’augmenter notablement les performances de centrifugation.

Résultats d’exploitation sur machines industrielles :

Résultats d’essais de centrifugation sur des boues physico-chimiques :

Le tableau ci-après indique les performances moyennes de centrifugation obtenues lors de la campagne d’essais effectués par l’I.R.H. à Nice-Ferber (2), ainsi que des résultats d’exploitation sur machines industrielles.

Avantages apportés par la technique de déshydratation par centrifugation :

• faible encombrement, permettant de réaliser des postes de déshydratation très compacts, d’où une économie importante en surface et bâtiments ;
• à capacité de production horaire égale, le coût d’investissement actuel (surtout pour les centrifugeuses françaises).

s'avère nettement moins élevé que pour les installations de filtration,

• — facilité d'exploitation de la machine, qui ne nécessite aucune supervision directe,
• — la déshydratation s'opère en enceinte fermée, ce qui constitue une solution hygiénique à la fois pour le personnel exploitant et pour l'environnement.

Quelques inconvénients notoires.

• — obtention de sédiments d'extraction parfois de faible consistance, à la limite de la « pelletabilité » ; c'est le cas de l'essorage centrifuge, par exemple des boues ferriques et alumineuses, pour lesquelles les extraits solides ne titrent souvent que 20 % de matières sèches,
• — nécessité de certaines précautions dans la préparation de la boue (par exemple dessablage), pour éviter l'usure prématurée de la vis d'extraction des solides par des matières abrasives (recharge ou remplacement périodique à prévoir) et l'obstruction de la machine à l'alimentation (dilacération de la boue indispensable en cas de présence de matières grossières et fibreuses),
• — frais d'exploitation (englobant énergie et besoins en réactifs) généralement inférieurs à ceux d'un filtre à tambour rotatif sous vide, mais supérieurs à ceux d'un filtre-presse ou d'un filtre à bande.

5. Données économiques relatives aux frais d'exploitation des différentes techniques de déshydratation des boues physico-chimiques.

Il est extrêmement difficile de déterminer rigoureusement les valeurs des charges d'exploitation pour la déshydratation des boues physico-chimiques, étant donné que chaque type de boue nécessite un conditionnement particulier, qu'il convient de définir de façon rationnelle par des essais préalables de laboratoire ou à l'échelle pilote.

Nous nous efforcerons cependant de fournir ci-dessous des indications sur les valeurs moyennes des charges d'exploitation pour chaque système de déshydratation mis en œuvre.

— Frais en énergie :

Le système de déshydratation par bande presseuse est incontestablement le plus économique au point de vue énergétique, le filtre sous vide et la centrifugation étant les plus gros consommateurs.

Les marges de consommation énergétique (rapportées à la tonne de matières sèches) des quatre systèmes de déshydratation se situent de la manière suivante :

@ Filtre presseur à bande : 5 – 20 kWh/tonne de MS

@ Filtre-presse : 20 – 30

@ Décanteuse continue : 40 – 80

@ Filtre rotatif sous vide : 100 – 150

— Frais en réactifs :

En général, le conditionnement sera moins onéreux pour la déshydratation sur filtre-presse utilisant des adjuvants minéraux, c'est-à-dire essentiellement de la chaux (on peut tabler sur 25 à 75 F par tonne de matières sèches de la boue) que pour les autres techniques d'essorage mécanique, pour lesquelles on emploie des floculants polymériques à caractère anionique (les frais en réactifs variant entre 60 et 80 F par tonne de MS).

— Frais de main-d'œuvre :

Ils sont quasi identiques pour les systèmes de déshydratation par filtration sous vide, sur bande presseuse et centrifugation (de l'ordre de 15 F/tonne de MS), et légèrement supérieurs pour la filtration sous pression (environ 20 F/tonne de MS), malgré les perfectionnements récents apportés dans les automatismes et le lavage des toiles des nouveaux filtres-presses.

Globalement, les frais d'exploitation des différentes techniques de déshydratation mécanique s'élèvent à :

@ 65 à 100 F/T de MS pour le filtre à bande presseuse,

@ 55 à 100 F/T de MS pour le filtre-presse,

@ 80 à 115 F/T de MS pour la centrifugation,

@ 95 à 125 F/T de MS pour le filtre sous vide.

L'amortissement du matériel et les frais de manutention de la boue déshydratée ne sont pas pris en compte dans ces bilans d'exploitation.

CONCLUSION

Le coût d'investissement et les frais d'exploitation souvent très élevés du traitement des boues justifient pleinement l'importance que l'on doit accorder à la détermination d'une filière de déshydratation mécanique adaptée au problème à résoudre.

Définir a priori le meilleur système de déshydratation est loin d'être simple, dans la mesure où le choix de la solution fait intervenir non seulement la quantité et la qualité des boues produites, mais est conditionné pour une grande part par la destination finale des boues (valorisation, mise en décharge, incinération).

Tous les procédés de déshydratation possèdent leurs avantages et leurs inconvénients, et il est bien entendu qu'il ne peut exister de solutions universelles, car chaque problème de boues à résoudre est en fait un cas bien particulier.

Seul un bilan technico-économique préalable permettra, en fait, de dégager pour le cas considéré le schéma général de déshydratation des boues le plus approprié.

J.-C. BOEGLIN