L'élimination des boues et des résidus issus des installations de traitement des eaux industrielles et urbaines pose des problèmes de plus en plus aigus, du fait qu’elles contiennent souvent des produits toxiques en proportion trop élevée, ce qui risque de produire des dommages à l'environnement, ainsi qu’aux eaux superficielles et souterraines. Il en est de même des boues urbaines en provenance des stations d’épuration, car les installations d'une capacité supérieure à 50 000 eq.h. contiennent, sans exception, une part importante d’effluents industriels, ce qui y introduit des quantités anormales de métaux lourds. C’est dans ces conditions que l'utilisation de leurs boues comme engrais a conduit dans certains pays, en RFA notamment, dans des produits tels le lait et la viande, à des concentrations en éléments toxiques présentant un danger pour les hommes et les animaux.
La mise en décharge se révèle en général peu économique, par comparaison avec l'élimination par incinération. Il faut en effet tenir compte des frais élevés de transport, de mise en dépôt et d’aménagement de la décharge.
Prenons l'exemple d'une agglomération urbaine, traitant une pollution de 6 millions d’équivalent-habitants, ce qui conduit à la production annuelle de 1 million de mètres cubes de boues déshydratées (1), d'une teneur de 20 % en matières sèches dont l'évacuation nécessite six transports horaires de 20 t. L'incinération sans conditionnement approprié ramène leur volume à 50 000 t de cendres, mais la solution se révèle onéreuse en raison de la consommation d’énergie qu'elle entraîne. L'utilisation de méthodes adaptées, liées aux progrès effectués dans les techniques de conditionnement et de combustion, fait de l'incinération un procédé d’élimination économique car, dans la plupart des cas, il est en effet possible de réaliser une autocombustion. La conception d’une installation nécessite toutefois des études préalables prenant en considération les particularités locales.
Au cours de ses trente années d’activité, notre société a réalisé plus de 700 installations de traitement de boues de stations d’épuration, avec ou sans incinération.
Nous examinerons ci-après les diverses solutions envisageables, avec leurs avantages et inconvénients respectifs, et nous terminerons par des exemples de réalisations récentes en matière d’installations économiques d'incinération.
(1) Dans tous les cas il est nécessaire de les épaissir et de les déshydrater avant de les éliminer.
ÉPAISSISSEMENT ET DÉSHYDRATATION DES BOUES
L’épaississement est l’étape fondamentale du traitement des boues. Il peut se faire par flottaison ou décantation. L'épaississeur introduit dans une station d’épuration un investissement supplémentaire mais offre divers avantages tels que l'amélioration de la sécurité d’exploitation, l'augmentation du temps de séjour dans les digesteurs aérobies ou anaérobies, la diminution des ouvrages de conditionnement, l'amélioration de la déshydratation et la diminution du coût d’investissement sur ce poste, etc. Il constitue en outre une capacité-tampon permettant de faire face aux aléas de l'exploitation.
L'eau contenue dans les boues est de natures diverses. C'est en effet la somme de :
- — l'eau libre, éliminable d'une façon relativement facile, principalement par les processus d’épaississement ;
- — l'eau liée, sous le vocable de laquelle sont réunies eau d’hydratation colloïdale, l'eau capillaire, l'eau cellulaire et chimiquement liée, laquelle ne peut s’éliminer que par conditionnement thermique, séchage ou incinération, alors que les autres peuvent l’être par les divers moyens de déshydratation connus.
La figure 1 montre la diminution du volume de la boue en fonction de la nature des différentes étapes du traitement.
Différents procédés de déshydratation s’offrent à nous : nous allons les étudier successivement.
FILTRES SOUS VIDE
Les filtres sous vide, apparus les premiers en déshydratation, sont de moins en moins, voire pratiquement plus utilisés, en raison de leurs inconvénients :
- — grosse consommation en adjuvants de floculation,
- — faible taux de concentration,
- — frais d'entretien et de surveillance,
- — grosse consommation d’énergie.
C’est un procédé ouvert.
FILTRE-PRESSE
Le filtre-presse est le plus souvent employé pour obtenir une déshydratation poussée en vue de la mise en décharge des boues. L’épuration nécessite un conditionnement des boues, avec, par exemple, du chlorure ferrique et de la chaux, mais il en résulte une
augmentation onéreuse du volume des boues. En définitive, ce procédé n’apporte aucun progrès par rapport aux autres pour les raisons suivantes :
- — frais d'investissement deux à trois fois plus élevés qu’avec les centrifugeuses ou les filtres à bandes,
- — c'est un système ouvert. Il en résulte des nuisances liées aux mauvaises odeurs,
- — l'usure des toiles entraîne un surcoût d’exploitation de l'ordre de 2 F/m³ de boue introduit,
- — c’est un procédé discontinu qui impose un stockage intermédiaire avant reprise vers l’incinération.
FILTRE À BANDE
Ce procédé a effectué ces dernières années sur le marché une percée significative, mais il n’est installé, en règle générale, que sur de petites ou moyennes installations. Les unités le plus souvent installées présentent des largeurs de bande de l'ordre de 2 000 à 3 000 mm pour une capacité de traitement par unité de 20 à 50 m³ de boues. Pour un même investissement, la concentration finale des boues issues de ces appareils correspond à celle obtenue avec des centrifugeuses. Principal avantage : il fonctionne en continu.
Les inconvénients sont essentiellement liés au fait que ce procédé est ouvert, donc sensible aux mauvaises odeurs. De nouveaux développements techniques permettent, toutefois, d’en attendre des performances nettement améliorées par un simple conditionnement au polyélectrolyte. Les coûts d'investissement en supportent malheureusement les conséquences.
CENTRIFUGEUSE
La centrifugeuse-décanteuse a aujourd’hui atteint un stade de développement qui, pratiquement, autorise le traitement de tous les types de boues. Des dispositifs appropriés lui permettent de traiter des capacités allant jusqu’à 100 m³/h de boues et d’y concentrer ces dernières sans adjonction de floculants.
Ce système présente de nombreux avantages : contrairement aux autres, il est étanche et fonctionne en continu ; son taux d’usure est très faible (de l'ordre de 0,50 F/m³ de boues introduites), et ne nécessite pratiquement aucune surveillance. Certains perfectionnements, comme par exemple la régulation de la vitesse de rotation différentielle, ont permis d’améliorer de façon très sensible l’efficacité de sa déshydratation.
Nous pouvons affirmer, d'une manière générale, que les résultats obtenus lors de cette centrifugation sont retrouvables à 100 % à l’échelle industrielle ; par contre, notre expérience prouve que l’extrapolation des résultats obtenus lors d’essais avec des filtres à bandes doit être prudente : les taux de siccité enregistrés en exploitation peuvent être inférieurs de plusieurs points à ceux des essais.
CONDITIONNEMENT THERMIQUE DES BOUES
Les procédés de conditionnement thermique des boues n’ont à ce jour pas réussi à s’imposer.
La congélation, pour des raisons d’économie d’énergie et de coût, ne présente aucun intérêt.
Le procédé Porteus dans lequel les boues sont portées à une température de 200 à 200 °C, sous une pression de 14 à 18 bars, est très peu utilisé du fait des mauvaises odeurs engendrées, du fort taux d'entretien et des taux élevés de DBO₅ et de DCO demeurant en solution.
Le conditionnement avec des rayonnements gamma n’apporte (en dehors de l’effet favorable qu’il exerce sur l’épaississement et sur la résistance du gâteau filtrant) aucun avantage décisif lors de la déshydratation. Ce procédé ne présente pas d’intérêt en raison des investissements qu'il nécessite.
L'oxydation par voie humide, qui s’effectue entre 150 et 300 °C sous des pressions de 100 à 200 bars, ne peut elle non plus percer, en premier lieu pour des raisons économiques, et également du fait de la qualification très élevée du personnel requise pour l’exploitation.
Par contre, une tendance se dégage vers un conditionnement thermique des boues à des températures peu élevées (50 à 70 °C). Ce procédé est particulièrement économique partout où les calories nécessaires au préchauffage peuvent être prélevées sur une installation d’incinération située en aval, ou bien si de basses calories sont à disposition à des prix intéressants. Le préchauffage de la boue entraîne une économie de floculant d’environ 50 % et facilite la concentration.
des boues par une augmentation de 5 à 8 points de cette dernière, sans pour autant accroître la DBO₅ ou la DCO dans l’effluent. À cette température (50 à 70 °C), les conditions de déshydratation sont améliorées pour diverses raisons : tension superficielle modifiée favorablement, viscosité plus faible, différence de densité plus grande entre les boues proprement dites et l’eau à éliminer. En pratique, des boues fraîches (20 °C), conditionnées par 150 g/m³ de floculant, contiennent après centrifugation 23 % de matières sèches ; ces mêmes boues préchauffées à environ 70 °C, avec une concentration en réactifs identique, ont, après centrifugation, leur teneur en matières sèches portée à 31 %. Pour obtenir une telle siccité à partir de boues froides, la quantité de floculant serait voisine de 400 g/m³. Ces résultats sont valables pour tous les essais de déshydratation et pratiquement dans les mêmes proportions.
Les progrès réalisés dans le conditionnement et la déshydratation des boues ont permis au dispositif d’incinération, après une régression sur le marché liée au choc pétrolier, de faire face à la crise et de leur redonner le rang qui leur était dû dans le traitement des boues.
SÉCHAGE DES BOUES
Les coûts toujours croissants de l’énergie nous ont amenés à développer un procédé dans lequel les fumées issues de la combustion de la boue sont utilisées pour son préséchage de façon à favoriser son autocombustion. Ce procédé a notamment été utilisé à Dueren. Le vario-cleaner à double vis échangeuse de chaleur, qui depuis dix ans est en service sur de telles boues à l’échelle industrielle, se révèle être particulièrement efficace. Lors d’essais comparatifs, au cours desquels il a été confronté à d’autres systèmes de séchage, il a été permis de mettre en valeur sa capacité d’évaporation, sa fiabilité du fait de l’auto-nettoyage automatique et sa moindre consommation d’énergie par rapport aux autres systèmes.
À titre d’exemple, un système de ce type, auto-nettoyant, d’une capacité d’évaporation de 4 t/eau/h possède une surface d’échange de 200 m².
DIFFÉRENTS TYPES D’INCINÉRATION
Les techniques les plus anciennes et les plus classiques sont les suivantes :
Four à étages
Le four à étages est le plus vieux procédé d’incinération des boues des stations d’épuration. Sa technique a évolué en même temps que la déshydratation augmentait. Dans un premier temps, il comportait uniquement des étages de préséchage à la partie supérieure, une zone de combustion dans le deuxième tiers inférieur et une zone de refroidissement des cendres à sa partie basse. Son principe est simple : les gaz chauds issus de la zone de combustion s’échappent à la partie supérieure du four et sont directement utilisés dans les chicanes constituées par les étages pour amener la boue à une siccité de 50 à 60 % environ ; les fumées sont évacuées du four à une température de 250 à 350 °C. Dans un second temps, les normes de rejet et le souci d’éliminer les mauvaises odeurs ont imposé le recyclage des fumées dans la zone de combustion, annulant les effets de récupération des calories dans les étages supérieurs ; les fumées quittent alors le four à une température de 850 à 900 °C. La qualité de la déshydratation préalable permet toutefois de garder l’auto-combustibilité.
Un des avantages de ce type de four est de piéger 70 à 90 % de la cendre dans le four lui-même, ce qui diminue les contraintes des installations de dépoussiérage situées en aval.
Le four à étages est particulièrement bien adapté à la combustion des boues fortement chargées en matières minérales du fait du conditionnement choisi (chaux, cendres, chlorure ferrique). Ce four effectue une percée dans les usines de pâte à papier où l’incinération de l’écorce mélangée à des boues de désencrage ou de station d’épuration permet de produire de la vapeur et d’éviter l’investissement d’une chaudière.
Four à lit fluidisé
L’introduction des boues dans le lit fluidisé ne pose absolument plus de problèmes. Ce type de four a été choisi pour la qualité de la combustion et son rendement par les autorités helvétiques pour la région de Bâle ; la concentration industrielle en milieu urbain de ces régions a imposé des normes de rejet très strictes, auxquelles il pouvait seul répondre avec un maximum de garanties. Il équipe trois chaînes d’incinération montées en parallèle, traitant les boues de la ville de Francfort. Le dispositif peut être monté aussi bien avec que sans recyclage des gaz.
EXEMPLES DE RÉALISATIONS
Papeterie de Haindl/Schongau en RFA
Cette fabrique produit environ 1 000 t/j de papier journal. La matière brute est constituée par un bois de pin et des vieux papiers traités dans une installation de désencrage contiguë. Le rapport bois de pin sur vieux papiers est d’environ 80/20.
L’installation de traitement des eaux de l’usine comprend une décantation primaire, une flottation, une biologie, un épaississement des boues. La boue épaissie est déshydratée dans deux filtres à bandes type SEM 2000 et par adjonction de polymère à une teneur en matières sèches d’environ 35 % puis stockée dans deux silos à boues ayant chacun une capacité de 200 m³. Les écorces issues du traitement du bois de pin sont récupérées, broyées et stockées dans deux grands silos d’une capacité unitaire de 400 m³ (l’écorce de pin possède une teneur en eau pouvant varier de 30 à 70 %). La décharge des boues déshydratées et des écorces devenant de plus en plus
coûteuse et difficile et le coût de l’énergie augmentant très rapidement, l'incinération de ces résidus avec récupération des calories pour production d’énergie sous forme de courant et chauffage à distance, s’est révélée très rentable.
La capacité horaire de l'installation est variable : boues : 10 t/h — écorces : 7,1 t/h.
Le PCI de l'écorce est d’environ 4 300 kcal/kg ; celui de la boue est d’environ 2 300 kcal/kg (valeurs ramenées à la matière sèche). Pour garantir une réutilisation optimale des calories, il fut décidé d’installer une chaudière de récupération haute pression, produisant de la vapeur à 45 bars à la température de surchauffe de 440 °C et de l'accoupler à une turbine de détente d'une capacité électrique de 2,5 MW. La vapeur de contre-pression (12 bars, 18 à 20 t/h) est introduite dans le réseau de chauffage à distance, ou peut aussi être réutilisée dans le procédé de fabrication du papier.
On avait le choix pour l'incinération entre le four à étages et le four à lit fluidisé ; du fait de ses avantages :
- — consommation d’énergie électrique plus faible,
- — possibilité d'utilisation de grandes unités sans augmentation de risques,
- — introduction des produits à brûler sans aucun problème,
- — faible charge des fumées en poussières,
- — grande flexibilité,
la décision fut prise d’installer un four à étages avec une postcombustion intégrée.
Dans ce système, les écorces et les boues sont introduites séparément dans le four à étages, au niveau de la première zone de préséchage. Dans les étages médians du four a lieu la combustion à une température de 850 à 900 °C. Les calories nécessaires au préséchage sont fournies par les fumées, grâce à un recyclage partiel régulé d’une certaine quantité de ces dernières. Les fumées refroidies sont réintroduites au niveau de la combustion. Le chauffage est assuré au démarrage par un brûleur à fioul lourd raccordé au four à l'étage de la combustion, laquelle apporte automatiquement les calories d'appoint nécessaires en cas de chute du PCI des produits à incinérer. Les gaz chauds, à la température de 850 à 900 °C passent ensuite dans une chaudière de récupération avec surchauffeur. Refroidies ainsi à 180-200 °C, les fumées sont soutirées par un ventilateur et épurées dans un laveur à courant radial avant rejet dans l’atmosphère.
La cendre
récupérée à 90 % est refroidie au bas du four à environ 50 °C, puis transportée par voie pneumatique dans un silo de cendres. Après humidification, elle est mise en décharge.
La figure 2 montre une vue extérieure de l’installation.
Au cours de cinq années de fonctionnement, le contrat a été respecté en tous points : l’autocombustion est réalisée et aucune quantité de fioul d’appoint n’est nécessaire.
Ville de Francfort (RFA)
Cette installation a été réalisée pour brûler les boues des stations d’épuration de la ville après épaississement, déshydratation sur centrifugeuse, préséchage, incinération et récupération des calories. Dans une première étape, elle a été calculée pour deux millions d’éq.h., capacité qui sera portée, dans sa conception définitive, à trois millions d’éq.h. Située à l’ouest de la ville, sur le site de la station d’épuration de Sindlingen, elle fonctionne depuis quatre ans, traitant les boues issues des stations d’épuration de Griesheim, Sindlingen et Niederrad (les digesteurs qui existaient dans cette localité ont été supprimés, leur exploitation se révélant très difficile).
L’incinération, entièrement automatisée, comprend trois lignes identiques fonctionnant en parallèle à partir de la déshydratation. Une ligne est toujours en réserve des deux autres. Des essais industriels avec une boue-témoin correspondant au rapport boues primaires/boues biologiques attendu, ont permis d’estimer un taux de déshydratation de 27 à 28 % au minimum après préchauffage de la boue avant centrifugation.
En même temps que la boue (160 m³/h à une concentration de 3 à 4 %), y sont également traités les refus de grille, les produits de dessablage, les boues graisseuses et des huiles usées qui sont traitées à part. Les boues récupérées le sont par l’intermédiaire d’une chaudière à fluide thermique qui refroidit les fumées avant leur passage dans un électrofiltre pour dépoussiérage.
La récupération de chaleur sert au préchauffage de la boue, au chauffage des bâtiments de l’installation de traitement d’eaux, et au réchauffage des fumées à l’entrée de la cheminée.
Un degré d’épuration des fumées particulièrement poussé a été exigé avant rejet en atmosphère, ce qui a imposé, après dépoussiérage électrostatique, un lavage en deux étages pour le refroidissement et l’élimination des toxiques. Après cette étape de lavage, les fumées sont réchauffées à 150 °C au moyen d’air chaud ; on peut ainsi garantir, conformément au souhait exprimé par les autorités, des fumées propres et l’absence de panache au sommet de la cheminée. La figure 3 montre le principe de fonctionnement de cette installation avec ses composantes principales.
La figure 4 montre la station de déshydratation avec une partie des centrifugeuses. La figure 5 montre un des fours à lit fluidisé à préchauffage intégré, peu avant la fin de son montage. On peut considérer cette réalisation comme la plus moderne existant dans le domaine de l’élimination des boues et des déchets ainsi que dans celui de l’épuration des eaux.
Les coûts d’investissement, y compris le génie civil, se sont élevés en 1980 à 250 MF environ.
