Déshydratation des boues industrielles par presse à vis : un bon compromis efficacité / coût

Le renforcement des réglementations environnementales concernant le devenir des boues industrielles est actuellement au centre des préoccupations de nombreuses industries.

En effet, toutes les filières proposées de nos jours sont devenues des sujets sensibles :

• • La mise en décharge de classe II, de déchets non ultimes, sera dans un futur proche interdite ;
• • Le coût de la mise en décharge de classe I élevé, auquel s'ajoute un coût de transport non négligeable, du fait de la rareté des sites (12 en France) ;
• • L’épandage agricole, bien que largement répandu et parfaitement contrôlé, se heurte aux problèmes de stockage, ainsi qu’aux nuisances engendrées par le transport. Par ailleurs, les restrictions techniques liées à la nature des boues ne permettent d’absorber qu'une fraction des volumes ;
• • L’incinération ne se justifie que dans quelques cas extrêmes, avec un coût de traitement très onéreux.

Enfin, les filières de revalorisation originales sont encore très marginales et ne disposent pas de marchés aval organisés.

Bien que les industriels aient entrepris depuis plusieurs années un travail de maîtrise, en amont, de la quantité de boues générées, leur volume global ne cesse de croître (voir article de Frost & Sullivan dans “L’eau, l’industrie, les nuisances” n° 223, page 6).

C'est la préoccupation essentielle des industriels qui sont amenés à conditionner ces boues pour être en meilleure adéquation possible avec la filière d’évacuation choisie. Comme ces filières se situent généralement à l’extérieur des sites industriels, il est intéressant de diminuer la teneur en eau de ces boues, afin de réduire les coûts d’évacuation. Ceux-ci s’appliquent généralement à la tonne brute, c’est-à-dire matière sèche + eau. Parmi les systèmes de conditionnement permettant la réduction de la teneur en eau, nous distinguons deux approches principales :

• La voie mécanique : déshydratation par pressage (presse à vis, presse à bande, filtre presse...); • La voie thermique : séchage direct ou indirect.

De toute évidence, la première approche est actuellement la plus répandue, et peut être même complétée par la seconde. Nous nous limiterons dans cet article à des considérations sur la déshydratation mécanique.

Les industriels attendent de ces machines qu’elles leur permettent de réaliser des économies, à défaut de générer des profits. Elles doivent donc être :

• très fiables, • faciles à exploiter, et engendrer un coût minimal d’exploitation et d’entretien.

Neyrtec Environnement (filiale Proserpol) développe depuis près de 25 ans une large gamme de presses à vis, les TASSTER® (Figure 2) qui répondent bien à ces contraintes.

Principe de fonctionnement

En effet, le principe de fonctionnement est simple et réside dans la compression de la boue via un système de vis d’Archimède contenue dans une grille de filtration, et l’application d'une contre-pression à l’extrémité du système par un clapet. Afin de structurer le matelas de boues et ainsi faciliter le drainage de l’eau, il est souvent nécessaire d’utiliser un floculant. Dans le cas de boues très diluées, il suffit de les pré-épaissir par l’intermédiaire d’un tambour épaississeur (RST) (Figure 4) avant l’alimentation de la presse.

En fait, la siccité est obtenue par le compactage de la boue convoyée et égouttée par le système vis/grille sur un “bouchon” de boue créé à l’extrémité de la vis, par l’interruption du filet (Figure 1). Cet effet de compactage est d’autant plus accentué qu’un clapet applique une contre-pression sur le bouchon. L’eau s’égoutte progressivement tout au long de la grille de filtration, puis est exprimée à l’arrivée sur le bouchon : c’est la phase propre de déshydratation.

Sur certains modèles, le nez de la vis, où se trouve le bouchon, est poreux et réduit le parcours de l’eau. Un gain de plusieurs points de siccité est ainsi obtenu.

La siccité finale est donc conditionnée par la capacité de la boue à subir des contraintes mécaniques, plus particulièrement sous la forme de taux de cisaillement. Il est évident que chaque boue a un comportement propre et singulier en réponse à ces contraintes. Le comportement des boues a été modélisé à travers trois paramètres fondamentaux caractéristiques, à savoir :

• le pourcentage de fibres, de nature papetière, agro-alimentaire ou synthétique, • le pourcentage de boues biologiques issues de traitements aérobies ou anaérobies, • le pourcentage de matières minérales, résidus d'une calcination à 550 °C.

Les quantités respectives de ces trois paramètres dans une boue déterminent son aptitude à la tenue mécanique (résistance au taux de cisaillements). Voici quelques exemples d’applications en industrie :

Boue agro-alimentaire :

• Caractérisation : faible pourcentage de fibres / Fort pourcentage de boues bio / Peu de matières minérales ; • Conclusion : résistance moyenne au taux de cisaillement.

Boue d'industrie minière :

• Caractérisation : pas de fibre / Pas de boues bio / Fort pourcentage de matières minérales ; • Conclusion : faible résistance au taux de cisaillement.

Boue papetière :

• Caractérisation : fort pourcentage de fibres / Faible pourcentage de boues bio / Fort pourcentage de matières minérales ; • Conclusion : résistance élevée au taux de cisaillement.

Une réponse pour chaque type de boues industrielles

Ces paramètres ont été intégrés depuis de nombreuses années, afin de proposer aux industriels des gammes de presses à vis en fonction du type de boues à déshydrater (Cf. courbe J).

Trois gammes se déclinent et s'adaptent au traitement de la plupart des types de boues industrielles :

Gamme TASSTER® UA pour boues à faible tenue mécanique (taux de cisaillement

Gamme TASSTER® UA pour boues à faible tenue mécanique (taux de cisaillement accepté faible). Cet appareil privilégie l'égouttage par rapport à la déshydratation, ce qui conduit à :

• une vis conique, à filet variable,
• une grille à fentes à fort indice de vide et faible ouverture,
• une surface d’égouttage importante,
• pas ou peu de contre-pression,
• un temps de séjour important, soit une faible vitesse de rotation (2 à 5 tr/min).

Exemples de niveaux de siccité atteints :

• boues de décarbonatation : Siccité sortie presse : 70 %
• boues biologiques digérées : Siccité sortie presse : 30 %

Gamme TASSTER® FA pour boues à bonne tenue mécanique (taux de cisaillement accepté moyen). Cet appareil exploite davantage la contre-pression, ce qui se traduit par :

• une vis cylindrique ou cylindro-conique,
• un indice de vide,
• une contre-pression appliquée sur le bouchon,
• un temps de séjour plus faible, vitesse de rotation 3 à 7 tr/min,
• une structure mécanique renforcée.

Exemples de niveaux de siccité atteints :

• boues papetières mixtes : 85 % Primaire (dont 50 % de fibres + 50 % de charge) 15 % Secondaire (boues bio) — Siccité sortie presse : 55 %
• boues de chimie minérale (fibre de verre et boues bio) — Siccité sortie presse : 45 %

Gamme TASSTER® FB pour boues à très bonne tenue mécanique (taux de cisaillement accepté élevé). Cet appareil est conçu pour exercer une pression maximale sur la boue, ce qui se traduit par :

• une vis cylindrique ou cylindro-conique à simple ou double filet,
• une contre-pression élevée / nez de vis poreux,
• une optimisation de la longueur du bouchon,
• une motorisation combinée à une motoréduction élevée permettant l’exploitation de couples importants,
• une vitesse accrue : 4 à 10 tr/min,
• un chauffage éventuel du corps de vis pour fluidifier la boue.

Exemples de niveaux de siccité atteints :

• boues papetières, fibre et charge (papier recyclé) — Siccité sortie presse : 65 %
• unités de récupération de fibre : collecte sélective des déchets (80 % de fibres + 20 % d'impuretés minérales) — Siccité sortie presse : 60 %

Le dosage de la contre-pression permet d’accroître la siccité finale. L’évolution de la siccité et de la pression appliquée au clapet est représentée sur la courbe II, et celle de la capacité en fonction de la contre-pression est représentée sur la courbe III.

Les capacités de traitement de ces appareils couvrent une plage importante, fonction de la nature de chaque boue et de l’objectif de siccité :

• Gamme TASSTER® UA — Débit de matière sèche 40 à 600 kg/h
• Gamme TASSTER® FA — Débit de matière sèche 250 à 1 850 kg/h
• Gamme TASSTER® FB — Débit de matière sèche 450 à 6 250 kg/h

Les capacités indiquées ci-dessus sont valables pour des concentrations d’entrée presse à vis de l’ordre de 40 à 60 g/l ; pour des concentrations plus faibles, un étage de pré-épaississement est nécessaire.

Un système basé sur l’utilisation d’un tambour épaississeur a donc été développé (Figure 3).

Il s’agit en fait d’un tambour en rotation, composé d’une armature en acier, dans laquelle est plaquée une toile métallique (maillage de 250 à 1 500 μm).

La boue à épaissir est introduite à une extrémité, l’égouttage se fait gravitairement, et l’avancée de la boue s’effectue par l’intermédiaire de déflecteurs installés dans le tambour.

Les concentrations d’entrée admises varient de 0,8 à 10 g/l pour une concentration sortie comprise entre 100 et 200 g/l.

Il est à noter qu’outre son rôle d’épaississeur, le tambour rotatif garantit une concentration en sortie très régulière, ce qui est intéressant pour les boues de qualité variable.

Comme nous l'avons vu précédemment, la boue est dans la majorité des cas structurée via un floculant, dont la nature et le dosage sont à adapter. Dans le cas d’utilisation d’un pré-épaississeur, il n’est pas nécessaire de floculer de nouveau la boue à l’entrée de la presse à vis.

Les avantages

Après avoir détaillé le fonctionnement des presses à vis et leur adéquation à chaque type de boue, nous avons regroupé ci-dessous les avantages de cette technique :

• Vitesses de rotation de la presse à vis et du tambour épaississeur faibles (quelques tours/min), d’où des sollicitations mécaniques contrôlées et une longévité des matériels exceptionnelle,
• Des solutions techniques innovantes déve-

• • Standardisation des toiles d’égouttage des tambours épaississeurs
• • Régulation de la contre-pression en fonction du couple moteur permettant un fonctionnement totalement autonome de la presse à vis

Toutes ces améliorations permettent de proposer aux industriels une gamme complète de presses à vis alliant haute performance (siccité, débit, qualité des filtrats) et facilité d’exploitation.

Nous présentons ci-dessous une illustration réelle du gain économique obtenu grâce à l’installation de ces matériels :

• • Type de boues : boues de station de traitement d’effluents industriels
• • Rapport [fibres / Bio / Cendres] = 34 / 30 / 36
• • Quantité de boues journalière produites en l'état : 18 tonnes
• • Siccité des boues obtenue avant investissement en TASSTER® avec le matériel en place : 26 %
• • Mise en décharge de classe II :
  • – Coût : 373 FRF / tonne brute, qui se décompose en 50 % de frais de mise en décharge + 50 % transport et taxes diverses
• • Coût annuel : 18 × 355 jours × 373 FRF = 2 380 000 FRF

Siccité moyenne obtenue avec une unité de déshydratation TASSTER® de type FA : 48 %

Coût annuel :

18 × 0,26  
────────── × 355 jours × 373 FRF  
    0,48  

= 1 290 000 FRF

Ce gain annuel de 1 090 000 FRF représente un amortissement, exploitation incluse, de 13 mois. Lorsque cette technologie n’est pas optimale, il est possible de mettre en œuvre une palette alternative complète d’outils et de procédés adaptés fondée sur son savoir-faire d’ingénierie spécialiste du traitement complet des effluents et des boues industrielles. Sa connaissance de la gestion globale des boues par l’industriel lui permet de proposer également une assistance ciblée pour résoudre le problème récurrent de l’exploitation des stations de traitement.