Expliciter les avantages les plus importants qui s’attachent au remplacement des coagulants minéraux par des floculants organiques pour le conditionnement préalable des boues des stations d’épuration et présenter un nouveau système d’alimentation de filtre-presse assisté par ordinateur ainsi que le système de contrôle de floculation « Flocsonde » qui lui est associé, tel est l'objet du présent article.
La déshydratation mécanique des boues, voie de passage obligée entre l'épuration des eaux usées et l’évacuation des matières solides résultant de cette épuration, doit être organisée dans les meilleures conditions techniques et économiques, de façon à obtenir une teneur en solides aussi élevée que possible pour réduire au minimum le volume à transporter.
Mieux que la centrifugation par décanteuses centrifuges à bol plein et que la filtration continue sous pression par presses à rouleaux et presses à bandes, ce sont les filtres-presses qui assurent le degré de déshydratation le plus élevé, et cela grâce aux pressions qu’ils développent.
Il est ainsi possible, à l'heure actuelle, d'utiliser des filtres-presses après conditionnement de la boue par des floculants organiques polymères, qui remplacent les adjuvants minéraux (coagulants) employés à forte dose (sels de fer et d’aluminium, chaux, cendres d’incinération des boues).
Technologie du conditionnement des boues en vue de leur déshydratation par filtre-presse
L’addition de solutions métalliques acides et de chaux conduit à introduire dans la boue à traiter une masse de matière minérale du même ordre de grandeur que la masse de solides présente dans la boue : c’est ainsi qu'une boue digérée normale (4 % de matière solide — soit 40 kg/m³) doit être mélangée avec 12 à 16 kg de sulfate ou de chlorure ferrique et 25 à 30 kg de chaux. Sans ajout de ces matières minérales, les solides déformables se compacteraient au fur et à mesure de l’augmentation de la compression et finiraient par former une couche imperméable à l'eau : la filtration deviendrait impossible.
Par contre, si l'on emploie des coagulants minéraux, ce sont les hydroxydes métalliques formés et les particules de chaux non dissoutes qui déterminent le comportement de la filtration : un gâteau se forme sur la toile filtrante, avec une porosité suffisante pour assurer une déshydratation relativement rapide sous l’effet de la pression.
Les inconvénients de l’emploi de coagulants sur les filtres-presses
Ils sont de plusieurs sortes :
- • après déshydratation le volume des matières solides (gâteau) est double, ce qui entraîne des conséquences importantes au niveau de l'évacuation : coût de transport, surface de décharge nécessaire, capacité
d'incinération, production de cendres, gaz chargés de polluants ;
- • très grandes modifications du pH et de la composition en électrolytes de la boue déshydratée et du filtrat ;
- • forte émission d'odeurs due à la formation d'ammoniaque ;
- • charge élevée du filtrat en DBO.
Le gâteau déchargé du filtre-presse après conditionnement minéral présente une teneur en solides comprise entre 40 et 45 % (soit une teneur en eau de 55 à 60 %), mais, par rapport aux matières solides initialement présentes dans la boue (de nature essentiellement organique), le volume d'eau à éliminer ou à évaporer en incinération est aussi élevé que dans le cas de déshydratation par décanteuses centrifuges ou presses à bandes, après conditionnement par floculants organiques polymères, où leur emploi est maintenant indispensable.
Les avantages de la floculation des boues par polymères organiques avant déshydratation sur filtre-presse
Le tableau I montre que, pour obtenir une boue bien conditionnée, il faut y ajouter au minimum 5 kg/m² de chlorure ferrique (soit 150 kg/t de solides) et 15 kg/m³ de chaux (soit 535 kg/t de solides). En comparaison, l'addition de 250 g/m³ d'un polymère cationique approprié donnerait une floculation suffisante pour déshydrater cette boue sur le même filtre-presse.
Le tableau II présente la comparaison économique du conditionnement par réactifs minéraux et par polymères organiques.
Les données de ces tableaux se passent de commentaires pour ce qui est de démontrer les avantages techniques et économiques du conditionnement par polymères organiques sur filtre-presse.
Conditions à remplir pour déshydrater les boues sur filtres-presse après floculation par polymères organiques
Pour faire fonctionner un filtre-presse avec des boues floculées par des polymères, il faut adapter l'installation aux caractéristiques de filtration spécifiques des boues grâce à un système de contrôle, assisté par ordinateur, du débit et de la pression dans le filtre, combiné avec un dispositif de dosage et de mélange du polymère qui maintient en permanence la floculation de la boue à un niveau optimal et constant pendant tout le cycle de filtration.
D'une manière générale, les nombreuses recherches menées depuis plusieurs années pour passer des réactifs minéraux aux floculants organiques dans le conditionnement des boues traitées en filtres-presses n'ont pas été couronnées de succès. Par contre, les boues conditionnées avec des polymères peuvent être déshydratées sans problèmes sous l'effet de la pression.
Dans le cas des filtres à bandes, ceux-ci se caractérisent par :
- • une forte perte d'eau dans la zone d'égouttage,
- • l'augmentation très progressive de la pression dans la zone de compression entre les deux bandes,
- • une filtration en couche fine ou d'épaisseur moyenne,
- • un fonctionnement continu.
Si donc l'on cherche à reproduire les particularités propres à la presse à bandes dans le filtre-presse, on peut espérer en retirer les mêmes avantages. On devra donc s'efforcer :
- • de prédéshydrater la boue à très faible pression,
- • de faire monter la pression lentement après que le filtre-presse est rempli de boue.
De nombreux essais ont confirmé que, si ces deux conditions sont remplies, la technique du filtre-presse s'emploie avec succès pour déshydrater les boues floculées à l'aide de polymères.
Ensuite, un système de contrôle-commande assisté par ordinateur, appelé « Floctronic »*, a été mis au point. Il adapte l'évolution de la pression de filtration en fonction du temps à la relation pression-temps caractéristique de la boue traitée, et l'addition de floculant est contrôlée optiquement par un dispositif appelé « Flocsonde »*. L'ensemble du système est géré par ordinateur.
« Floctronic » et « Flocsonde »
Le système « Floctronic » assisté par ordinateur, combiné au système « Flocsonde », comprend les constituants essentiels suivants :
- • groupe de pompage pour l'alimentation, à grand débit mais très faible pression,
- • groupe de pompage pour la pressurisation ; la pression active qu'il développe est proportionnelle au débit,
- • débimètres pour la boue alimentée au filtre et la solution de polymère introduite dans la boue,
- • pompe de dosage à débit contrôlé pour la solution de polymère,
- • mélangeur turbulent pour le conditionnement de la boue par la solution de polymère,
- • dispositif de contrôle optique de la floculation,
- • automate programmable.
Fonction pression-temps
Des essais préalables de laboratoire ou, mieux, à l'échelle pilote, permettent de tracer les courbes typiques de déshydratation-pression f (temps) sur la boue d'origine, après que la meilleure floculation possible a été obtenue. De telles courbes sont représentées sur la figure 1. Ces essais indiquent quel est le gradient de pression qui permet d'obtenir la teneur finale désirée en solides en un temps minimal, c'est-à-dire pour la capacité maximale du filtre-presse. Dans ce sens, chaque courbe correspond à une résistance spécifique de filtration différente ; il convient de tracer ces courbes pour la boue originelle, telle qu'elle doit être déshydratée.
Supposons que, dans le cas présent, ce soient les conditions opératoires correspondant à la courbe III de la figure 1 qui donnent le meilleur résultat. Cette courbe, c'est-à-dire le gradient de pression en fonction du temps, est alors introduite dans l'ordinateur avec une tolérance de ± 15 %. L'ordinateur
[Figure : Fig. 2 – Diagrammes Floctronic. Pression, débit de boue et dose de polymère en fonction du temps.]* Marques déposées par Chemische Fabrik Stockhausen GmbH.
Tableau I Comparaison technique.
| Agent de conditionnement | Unités | Réactif minéral | Polymère |
|---|---|---|---|
| Boue digérée, matières solides | % | 2,8 | 2,8 |
| Chaux, 15 kg/m³ | t/an | 3 248 | — |
| Chlorure ferrique, 5 kg/m³ | t/an | 165 | — |
| Polymère, 240 g/m³ | t/an | — | 230 |
| Matières solides après conditionnement | % | 3,743 | 2,3 |
| Eau évacuée après conditionnement, 40 % | m³/an | 33 300 | — |
| Addition de solution de polymère à 0,2 % | m³/an | — | 10 000 |
| Alimentation du filtre-presse : boues | m³/an | 49 900 | 93 200 |
| Alimentation du filtre-presse : matières solides | % | 7,5 | 2,5 |
| Volume de boue par cycle | m³ | 78 | 148 |
| Nombre d’heures de fonctionnement par cycle | h | 2 | 3 |
| Débit horaire | m³/h | 37,5 | 49,3 |
| Teneur en solides du gâteau : | |||
| – solides totaux | % | 25 | 23 |
| – solides avant conditionnement | % | 23 | 25 |
Conditionnement par polymère organique
| Paramètre | Unités | Valeur Réactif minéral | Valeur Polymère |
|---|---|---|---|
| Type de polymère | Praestol 650 BC | ||
| Ionicité | Moyennement cationique | ||
| Dose | kg/t de solides | 2,8 | |
| Réduction du volume de gâteau | m³/m³ de boue humide | 0,220 | 0,175 |
| Augmentation du débit de filtration | h/t de solides | 0,8 à 1,2 | |
| Durée de fonctionnement du filtre | h/an | 1 685 | 1 976 |
| Volume filtrat | m³/an | 42 100 | 76 560 |
| + eau évacuée | m³/an | 33 300 | — |
| + solution de polymère | m³/an | — | 10 000 |
| Volume total | m³/an | 75 400 | 86 560 |
| DBO dans l’eau rejetée | g/l | 46,7 | 25,9 |
Tableau II Comparaison économique.
| Agent de conditionnement | Unités | Réactif minéral | Polymère |
|---|---|---|---|
| Chaux (0,5 FF/kg) | FF/an | 595 000 | — |
| Chlorure ferrique à 40 % (800 FF/t) | FF/an | 333 000 | — |
| Polymère organique (27 FF/kg) | FF/an | — | 44 000 |
| Transport et mise en décharge (1,60 FF/kg) | FF/an | 75 000 | 41 500 |
| Coût total | FF/an | 1 943 000 | 1 377 500 |
| Coût spécifique | FF/t de solides·an | 833 | 600 |
| Économie | FF/t de solides·an | 241 | — |
| Économie totale | FF/an | 562 700 | — |
Tableau III Boue digérée : passage du conditionnement minéral au conditionnement organique.
| Type de boue | Digérée, primaire et activée |
| Teneur en matières solides | 2 à 8 % |
| Conditionnement par réactifs minéraux | 20 à 30 kg/m³ |
| 400 kg par t de solides | |
| Teneur en solides du gâteau : | |
| – solides totaux | 45 % |
| – solides avant conditionnement | 25 % |
| Conditionnement par polymère organique | |
| Type de polymère | Praestol 650 BC |
| Ionicité | Moyennement cationique |
| Dose | 2,8 kg/t de solides |
| Réduction du volume de gâteau | 0,200 à 0,175 m³ par m³ de boue humide |
| Augmentation du débit de filtration | 0,8 à 1,2 h/t de solides |
Tableau IV Résultats pratiques : déshydratation de boues activées en excès préépaissies.
| Type de boue | Boue active en excès préépaissie |
| Teneur en matières solides | 25 % |
| Polymère | Praestol 644 BC |
| Ionicité | Fortement cationique |
| Dose | 4,5 à 5 kg/t de solides |
| Teneur en matières solides du gâteau | 23 à 25 % |
| Durée du cycle | 45 minutes |
| Quantité de boue filtrée par cycle | 100 m³ ; 2,5 t de solides |
| Volume de gâteau par cycle | 10 m³ |
va faire fonctionner les groupes de pompage suivant un algorithme d’auto-optimisation entre ces deux limites, de la manière suivante :
- la pompe d’alimentation tourne à plein débit pour remplir le filtre aussi vite que possible,
- dès que le filtre est plein, cette pompe, ou une pompe annexe de pressurisation, fonctionne pour faire croître la pression, en étant régulée pour suivre la courbe pression (temps) choisie.
Il est préférable d’utiliser à cet effet des pompes à rotor excentré (du genre pompe Moineau). Leur vitesse de rotation est régulée de telle sorte que leur capacité de transport soit directement proportionnelle au volume du filtrat qui s’écoule et que seulement ce volume soit remplacé dans le filtre par de la boue fraîche. Si la pression vient à tomber, la vitesse de la pompe augmente lentement, le volume alimenté également, la pression croît, le débit de filtrat aussi. De cette manière, et par petites étapes successives, la pression de filtration augmente. Le gradient de pression optimal prédéterminé assure la formation d’un gâteau bien drainé, s’égouttant bien, dans les chambres du filtre.
La pression agissante est mesurée dans la conduite d’arrivée au filtre et elle est introduite dans l’ordinateur qui en calcule l’évolution.
Contrôle de la floculation
Le dispositif de floculation comporte trois parties :
- — pompe doseuse à vitesse variable pour la solution de floculant, avec débitmètre inductif pour mesurer le débit dosé,
- — mélangeur pour assurer un contact intime entre la boue et le floculant,
- — système optique pour contrôler la floculation et la comparer avec la « floculation optimale ».
La floculation est contrôlée par le dispositif optique dans un by-pass de la conduite d’amenée des boues au filtre-presse. Les signaux optiques délivrés représentent la taille des flocs, leur structure, leur distribution dans les boues qui franchissent le système optique. Le fonctionnement du dispositif rappelle celui d’une caméra vidéo. Le signal résultant, formé d’un grand nombre de points de mesure individuels, est comparé à la valeur désirée. L’écart est utilisé pour régler la floculation, en agissant sur la turbulence assurée par le mélangeur et la dose de polymère ajoutée à la boue.
Le mélangeur est formé par un segment de tube d’alimentation auquel on a donné une forme appropriée et dont la section de passage peut être modifiée par des obturateurs spéciaux entre 0 et 100 %. Les obturateurs sont actionnés par des moteurs. Ils sont positionnés de manière que, pour un débit donné, règne toujours la même turbulence (par exemple le même nombre de Reynolds) dans la zone de mélange, quel que soit le débit.
Si le signal optique reçu diffère du signal désiré, l'ordinateur commence par contrôler la position des obturateurs et par la modifier si nécessaire pour assurer les meilleures conditions de mélanges possibles : si la position des obturateurs est conforme à la position prévue, et si donc elle est correcte, l'ordinateur modifie la dose de floculant polymère pour compenser l'écart ; si la floculation est trop forte, il diminue la dose, et vice versa.
La dose de polymère est ainsi toujours réglée à la valeur réellement nécessaire pour obtenir la floculation optimale, en fonction des caractéristiques instantanées de la boue. Cette méthode permet de réduire la consommation de floculant de 10 à 30 % par rapport au procédé consistant à doser proportionnellement au débit de boue ou au débit de solides, comme le montre la figure 2. De plus, en ajustant la dose de polymère à la valeur réellement nécessaire, on bénéficie encore d'autres avantages :
- séparation facile et complète des gâteaux de la toile filtrante,
- réduction du colmatage et de l'encrassement de la toile filtrante (d'où moins de lavages et de régénérations).
Expérience pratique
Le système combiné Floctronic assisté par ordinateur avec contrôle optique et réglage de la dose de polymère a été installé dans plusieurs stations d'épuration qui déshydratent leurs boues à l'aide de filtres-presses. Les tableaux III, IV et V résument quelques résultats obtenus.
Le tableau III renferme des informations relatives à une station d'épuration où, pour le conditionnement de la boue, l'on est passé de réactifs minéraux à un floculant polymère organique. En plus de nombreux autres avantages, le volume de gâteau à évacuer s'est réduit de 0,22 m³ à 0,175 m³ de boue non filtrée, c'est-à-dire de plus de 22 %. Le débit de filtration exprimé en matières solides est passé de 0,8 à 1,2 t/h. Le gâteau se déshydrate remarquablement bien, comme l'indique la teneur en solides très élevée (40 % environ) obtenue avec le polymère organique.
Les avantages du système Flocsonde pour le contrôle de la dose de polymère ressortent du tableau III. Jadis, la dose de polymère était proportionnelle au débit de matière solide : ce dernier était mesuré par un débitmètre à induction couplé à une mesure de la densité de pulpe par rayons X. Puis, ce système a été remplacé par un contrôleur Flocsonde. La consommation de polymère a ainsi diminué de 11 %, revenant de 5,8 à 5,2 kg/t de solides. Autre conséquence importante : la teneur en solides du gâteau est passée de 23,5 à 27,5 %, soit une augmentation de 17 %.
Le tableau IV donne des informations sur la déshydratation, de boues activées en excès, préépaissies, sur filtre-presse, avec emploi de floculant organique. Il s'agit ici de boues difficiles à déshydrater, mais pour lesquelles le Floctronic, là aussi, grâce au réglage du gradient de pression, assure la formation d'un gâteau suffisamment perméable pour garantir un taux de déshydratation élevé. La teneur finale en solides atteint environ 24 % après une durée de filtration totale de 2 heures 1/2.
Sur la figure 2, on voit les courbes d'un cycle de filtration tracées par l'imprimante de l'ordinateur. La courbe supérieure montre l'accroissement de pression régulé par le Floctronic. Le remplissage du filtre demande de 25 à 30 minutes, ensuite de quoi le Floctronic maintient une croissance très lente de la pression, conformément à la courbe prédéterminée gradient de pression f (temps).
La courbe intermédiaire indique le débit d'alimentation de boue au filtre (en m³/h). Quand le filtre est rempli, c'est-à-dire au bout de 30 minutes environ, ce débit diminue fortement.
La courbe inférieure indique le volume de floculant dosé dans la boue, exprimé en % du volume de boue (la dose normale est de 20 %) ; mais le Flocsonde permet de régler plus finement la dose en fonction du besoin instantané qu'il détermine : en fait, dans ce cas précis, le Flocsonde réglait la dose à une valeur comprise entre 16 et 20 %, soit 17 % en moyenne ; il en résulte une économie de 15 % par rapport à la dose fixe de 20 % qui est nécessaire quand le Flocsonde n'est pas utilisé.
On peut résumer ces résultats comme suit :
Les différents organes constitutifs du système, aussi bien que le système dans son ensemble, présentent une grande fiabilité et fonctionnent parfaitement même si les caractéristiques de la boue varient fortement. Si la composition de la boue ou, par exemple, son degré de digestion changent notablement, la courbe pression-temps doit être vérifiée et, si elle s'est modifiée, elle doit être réintroduite dans l'ordinateur.
Le système Floctronic permet la déshydratation de boues de différentes compositions, même si elles contiennent une très forte proportion de matières organiques, grâce à l'utilisation de floculants polymères, et ceci avec de gros avantages techniques et économiques. On obtient ainsi un gâteau de filtration à forte teneur en solides. Ce résultat rend désormais les filtres-presses très compétitifs par rapport aux presses à bandes et aux décanteuses centrifuges pour la déshydratation des boues. L'un des avantages du filtre-presse est la teneur en solides du gâteau, nettement plus élevée qu'avec les deux autres machines.
L'investissement nécessaire pour installer les systèmes Floctronic et Flocsonde s'amortit en deux ans environ.
Conclusion
La floculation par polymères organiques offre bien des avantages pour la déshydratation des boues d'épuration. L'utilisation du système Floctronic permet de déshydrater très efficacement, à l'aide de filtres-presses, les boues ainsi conditionnées. Ce système, assisté par ordinateur, permet d'ajuster le gradient pression-temps aux paramètres de déshydratation de tous les types de boues.
La combinaison avec le système intégré Flocsonde permet de plus de minimiser la consommation de polymère, de faciliter grandement la décharge des gâteaux de filtres-presses et, in fine, d'optimiser le résultat économique de l'opération.
