Désintégration mécanique des boues activées

Le traitement des eaux usées municipales et industrielles produit, outre l'eau épurée, des boues activées en excès (figure 1) dont l’élimination pose des problèmes écologiques et économiques. L'une des possibilités de réduction partielle de la quantité des boues activées consiste à les soumettre à une stabilisation biologique aérobie ou anaérobie, au cours de laquelle des micro-organismes décomposent environ la moitié de la charge organique. Le traitement anaérobie présente l’avantage supplémentaire de produire du biogaz à haute valeur énergétique du fait de sa teneur en méthane comprise entre 60 et 70 %.

Avec pour objectif d’améliorer le rendement du traitement biologique, la possibilité de désintégrer mécaniquement les boues avant de les soumettre à une digestion anaérobie a été étudiée à l'université technique de Braunschweig (RFA) depuis 1991 ; le but étant de montrer à quel point la désintégration des boues peut permettre :

1. l'accélération de la digestion anaérobie,
2. une augmentation de la quantité de gaz produite et
3. une réduction de la masse de boues digérées à éliminer.

En effet, le broyage des boues entraîne l'éclatement des micro-organismes aérobies, composant majoritaire des boues activées en excès. Le contenu des cellules ainsi mis en solution est rendu facilement disponible pour les micro-organismes anaérobies, ce qui permet une augmentation et une accélération de la décomposition des boues dans le digesteur. Les principaux résultats de ces travaux [1-6] sont présentés ci-dessous.

Mots clés : boues activées, désintégration mécanique, digestion anaérobie

* un broyeur à billes (BB), constitué d’une chambre de broyage cylindrique, entourée d'un manteau de refroidissement évitant l’échauffement des boues lors de leur traitement (figure 2, tableau I). À l'intérieur de la chambre, un agitateur muni de disques tourne à grande vitesse et entraîne en rotation les éléments broyeurs : des billes de verre. Ces dernières, du fait de leur mouvement relatif, exercent des forces de compression et de cisaillement sur les microorganismes, ce qui provoque leur éclatement. Les fines particules de boues broyées quittent la chambre à travers un tamis ; les billes, elles, y sont retenues.

* un homogénéisateur haute pression (HHP), dont la composante essentielle est la valve d’homogénéisation (figure 3). Les boues, comprimées jusqu’à des pressions pouvant atteindre 900 bar, passent au travers de la valve où elles subissent une forte chute de pression du fait de la réduction importante de section. Des phénomènes de cavitation apparaissent alors : des bulles gazeuses se forment, implosent en créant de fortes turbulences, responsables de la destruction des membranes microbiennes.

* une barre émettrice d’ultrasons (EUS), où la puissance émise par un générateur haute fréquence (200 W, 20 kHz) est transformée par une céramique piézoélectrique en ondes acoustiques (figure 4). Celles-ci, introduites dans la suspension, donnent lieu à des phénomènes de cavitation, responsables de fortes turbulences et à l’origine de forces de cisaillement importantes qui provoquent la rupture de la paroi cellulaire des microorganismes.

* un disperseur à fente (DF) d’une puissance de 350 W, dans lequel un rotor cylindrique tourne à haute vitesse (entre 8 000 et 24 000 tr/min) dans un stator concentrique (figure 5). Les boues sont aspirées verticalement par le rotor et sortent latéralement par les fentes du stator. Au niveau de l’interstice entre le rotor et le stator, les boues sont soumises à de forts cisaillements, entraînant

Autre application d’un prétraitement mécanique consiste en l'utilisation des boues désintégrées comme source de carbone pour la dénitrification [7].

Matériel et méthodes

Les boues utilisées lors de cette étude sont des boues activées en excès provenant de deux stations d’épuration d’eaux usées municipales d’une PTE de 70 000 et 120 000 hab. respectivement. Leur teneur en matières sèches totales varie entre 10 et 40 g/kg ; les pertes au feu s’élèvent à environ 75 %.

La désintégration mécanique fut réalisée au moyen de quatre appareils :

Tableau I : Caractéristiques techniques du broyeur à billes

Résultats et discussion

Modification de la structure des boues lors de la désintégration mécanique

Dans les conditions habituelles, les micro-organismes s’agglomèrent dans les boues activées en flocs qui atteignent une taille de plusieurs millimètres et sont visibles à l’œil nu. En introduisant des énergies relativement réduites dans les boues, il est possible de détruire ces flocs car ils ne sont reliés que par des liaisons assez faibles. Après traitement, les boues présentent une structure très homogène de particules fines isolées. Cette modification notable de la structure des boues peut être observée qualitativement au microscope (figure 6) et quantitativement au moyen de la répartition granulométrique mesurée par diffraction laser (figure 7).

La taille moyenne des particules diminue pour des durées de broyage croissantes. La principale réduction des particules a lieu dans les premières minutes et correspond à la destruction des flocs. On observe par ailleurs qu’une augmentation de l’énergie introduite dans le système, réalisée en élevant la vitesse des disques de l’agitateur, accélère le broyage.

Degré de désintégration

Un traitement intensif des boues entraîne la rupture de la membrane cellulaire des micro-organismes, libérant ainsi les composants intracellulaires dans le milieu environnant. Ce phénomène ne peut être observé ni au moyen d’un simple microscope ni par mesure granulométrique car les cellules éclatées ont la même taille que les cellules entières. Aussi, pour décrire les effets d’un traitement mécanique plus intense, on introduit un degré de désintégration. Celui-ci peut être déterminé au moyen de différentes méthodes dont les deux plus appropriées sont présentées ici.

La première caractérise l’augmentation de la concentration des matières oxydables en solution causée par la destruction des cellules. Cette concentration est mesurée à l’aide de la demande chimique en oxygène (DCO) de l’échantillon après centrifugation (10 min, 10000 g). Cette augmentation est rapportée à une désintégration totale, réalisée au moyen d’un traitement chimique avec une solution molaire de soude.

\[
\text{ADCO} = \frac{\text{DCO} - \text{DCO}_{\text{non}}}{\text{DCO}_{\text{ox}} - \text{DCO}_{\text{non}}}
\]

avec :

DCO [mg/l] : DCO de l’échantillon broyé

DCOₙ [mg/l] : DCO de l’échantillon non broyé

DCOₒₓ [mg/l] : DCO de l’échantillon désintégré à la soude (désintégration totale).

La seconde méthode employée utilise les besoins en oxygène, proportionnels au nombre de cellules aérobies intactes.

\[
A_{O_{2}} = 1 - \frac{\text{BO}}{\text{BO}_{0}}
\]

avec :

BO : besoins en oxygène de l’échantillon broyé

BO₀ : besoins en oxygène de l’échantillon non broyé

Influence de l’énergie spécifique sur le degré de désintégration

Il est particulièrement important de considérer la quantité d’énergie consommée lors de la désintégration car l’introduction de cette nouvelle technologie dans les stations d’épuration des eaux n’est possible que si l’éner-

gie nécessaire reste faible. De manière à pouvoir comparer entre elles les différentes machines et leurs différents réglages, l’énergie spécifique fut utilisée, c’est-à-dire l’énergie totale introduite, rapportée à la masse de matières sèches totales traitée. La figure 8 illustre pour les quatre appareils l’influence de l’énergie spécifique sur le degré de désintégration.

Les résultats du broyeur à billes présentés dans ce diagramme ont été obtenus avec des billes de faible diamètre (dₐ = 0,35 mm) et une haute vitesse de rotation de l’agitateur (vitesse tangentielle à l’extrémité des disques de l’agitateur vₜₐₙ = 6 m/s). Avec ces paramètres de fonctionnement, le temps de séjour (tₛ) fut varié de 1 à 60 min. Lors de longues durées d’exposition, c’est-à-dire de hautes énergies spécifiques, les degrés de désintégration obtenus atteignent 90 %. L’homogénéisateur haute pression représente l’appareil le plus efficace sur le plan énergétique : il permet en effet l’obtention d’une désintégration forte pour des énergies relativement limitées. Au sujet de cette machine, il faut signaler qu’un passage préalable au tamis et un prétraitement mécanique sont nécessaires pour éviter d’endommager et d’engorger la valve. Le broyeur à billes quant à lui est de construction plus robuste et donc mieux approprié pour l’utilisation dans une station d’épuration des eaux.

Le traitement par ultrasons est moins favorable du point de vue énergétique que les deux appareils précédents : l’obtention de hauts degrés de désintégration nécessite beaucoup plus d’énergie. Il est important de signaler ici que d’autres auteurs [8] ont utilisé d’autres systèmes à ultrasons plus perfectionnés qui promettent des résultats plus avantageux. Le disperseur à fente n’est pas approprié pour la désintégration des boues. En effet, même après de longues durées de traitement et de hautes énergies spécifiques, le degré de désintégration dépasse à peine 40 %.

Il est possible d’améliorer le rendement énergétique de tous les appareils en épaississant les boues, dans les limites de faisabilité technique imposées par les machines elles-mêmes.

Digestion anaérobie des boues désintégrées mécaniquement

Les premières expériences de digestion anaérobie furent réalisées en régime continu dans deux réacteurs de 20 l en série, tempérés à 35 °C, dans lesquels les micro-organismes anaérobies se trouvaient en suspension. Un effet positif de la désintégration fut observé sur la digestion, en particulier pour de faibles temps de séjour. Dans ces conditions, le système devenait malheureusement vite instable et les taux de dégradation insatisfaisants car la concentration de la biomasse anaérobie s’appauvrissait dans le réacteur du fait du renouvellement trop fréquent de son contenu et du taux de croissance faible des micro-organismes anaérobies. Pour éviter ceci, un matériau de garnissage fut introduit dans le premier des deux réacteurs pour permettre aux micro-organismes de se fixer. Grâce à cette amélioration, le système reste stable même avec un temps de séjour moyen des boues dans ce réacteur compris entre 2 et 8 jours. En ce qui concerne le deuxième des deux réacteurs en série, celui-ci ne fut pas modifié car les temps de séjour dans ce second furent maintenus élevés (10 jours).

La figure 9 représente le taux de dégradation de la matière organique en fonction du temps de séjour moyen en digestion. Pour de courts temps de digestion, la désintégration mécanique permet, en combinaison avec un réacteur à culture fixée, une augmentation notable du taux de dégradation. Ceci s'explique par une amélioration de la disponibilité des constituants des boues activées pour les micro-organismes anaérobies. Pour des temps de digestion plus longs, les avantages résultant du traitement mécanique s’atténuent. En effet, les micro-organismes ont, avec ou sans traitement, suffisamment de temps pour hydrolyser la matière organique qui leur est accessible.

Par ailleurs, l'âge des boues activées est un paramètre important en ce qui concerne la dégradabilité des boues, comme on peut le constater sur la figure 9. En effet, des boues d’âge élevé correspondent à des boues fortement dégradées et stabilisées lors du traitement secondaire. Ceci explique que les taux de dégradation obtenus dans le digesteur anaérobie soient plus faibles que ceux des boues peu stabilisées contenant encore beaucoup de substances facilement dégradables. Dans tous les cas, le traitement mécanique améliore la dégradation anaérobie des boues sur deux plans : il est d'une part possible d’atteindre une dégradation avancée, même pour des temps de digestion réduits, ce qui permet une réduction notable du volume des digesteurs et, d’autre part, le taux de dégradation de la matière organique obtenu est élevé (jusqu’à env. 60 %), augmentant ainsi le volume de biogaz libéré et réduisant par ailleurs la quantité de boues digérées à éliminer.

Déshydratation des boues et charge du surnageant reconduit à la station

Kopp et al. [3] ont étudié l'influence de la désintégration mécanique des boues en excès sur leur déshydratation après digestion. Les principales tendances obtenues sont présentées brièvement ci-dessous.

• La teneur en matières sèches totales après conditionnement et centrifugation diminue lorsque le temps de digestion augmente.

• De manière générale, les résultats de la déshydratation après digestion sont peu modifiés par une désintégration mécanique préalable. Par contre, la demande en floculant pour le conditionnement des boues désintégrées, demande qui s’atténue pour des temps de digestion longs, reste 1,2 à 2 fois plus élevée que pour celle des boues non désintégrées.

• Par ailleurs, Kopp et al. ont observé une augmentation de la concentration en ammonium dans le surnageant des boues digérées, ce qui est à relier à l’amélioration de la dégradation des protéines après désintégration. La teneur en phosphate du surnageant, quant à elle, n’est pas influencée par un pré-traitement mécanique.

Conclusion et perspectives

La désintégration mécanique des boues apparaît comme un nouveau procédé prometteur pour le traitement des boues activées en excès car elle permet d’accélérer et d'augmenter la dégradation de la matière organique. Il a été montré que les machines les plus appropriées pour la désintégration des boues sont le broyeur à billes et l'homogénéisateur haute pression car elles permettent d’atteindre des degrés élevés de désintégration avec des énergies spécifiques acceptables.

Les effets positifs de la désintégration sont nombreux, à commencer par une accélération de la digestion d'où la possibilité de réduction du temps de séjour moyen en digestion. Par ailleurs, l’augmentation du taux de dégradation observée après traitement mécanique entraîne une production plus importante de biogaz, tout en réduisant la quantité de boues à éliminer, boues mieux stabilisées que par une digestion conventionnelle.

En ce qui concerne la déshydratation des boues, les boues traitées mécaniquement atteignent une teneur en matières sèches totales après déshydratation comparable à…

celle des boues non traitées. La floculation des boues traitées nécessite par contre 1,2 à 2 fois plus de polymère floculant que celle des boues non désintégrées. Par ailleurs, la concentration en ammonium dans le surnageant augmente suite à la désintégration. Une étude de rentabilité de ce nouveau procédé doit prendre en considération tous les aspects, positifs et négatifs, influant aussi bien sur les frais de fonctionnement que sur les frais d'investissement (voir tableau II). On montre que l’avantage énergétique résultant de l’augmentation de la production de biogaz correspond plus ou moins au besoin énergétique de la machine lors de la désintégration. Les frais d’investissement pour une nouvelle station fonctionnant selon le schéma proposé ci-dessus (cf. figure 1) ou pour l’extension d'une installation existante se situent en deçà de ceux nécessaires pour une station conventionnelle. En ajoutant la réduction des frais liés à l’élimination des boues digérées et selon l'importance des frais supplémentaires causés par la déshydratation des boues et le traitement du surnageant, la désintégration peut être économiquement rentable, en particulier dans le cas d'une surcharge du digesteur.

Références bibliographiques

[1] Miller J. : Mechanischer Klärschlammaufschluß, Thèse, Université Technique de Braunschweig (1996), ISBN 3-8265-2053

[2] Miller J., Schwedes J., Battenberg S., Naveke R., Kopp J., Dichtl N., Krull R., Hempel D.C. : Verbesserter Abbau von Klärschlämmen durch Zellaufschluß, awt-Abwassertechnik 47 (1996), n° 3, 48-52

[3] Kopp J., Miller J., Dichtl N., Schwedes J. : Anaerobic Digestion and Dewatering Characteristics of Mechanically Disintegrated Excess Sludge, Wat. Sci. Tech. 36 (1997) 11, 129-136

[4] Miller J. : Stand der Forschung im Bereich der Klärschlammdesintegration, Korrespondenz Abwasser 45 (1998) 2, 301-306

[5] Miller J., Dichtl N., Schwedes J. (eds.) : Klärschlammdesintegration – Forschung und Anwendung, Fachtagung März 1998, Braunschweig, Veröffentlichungen des Instituts für Siedlungswasserwirtschaft TU Braunschweig (1998), n° 64, ISBN 0934-9731

[6] Miller J., Lehne G., Schwedes J., Battenberg S., Naveke R., Kopp J., Dichtl N., Scheminski A., Krull R., Hempel D.C. : Disintegration of sewage sludge and influence on anaerobic digestion, IAWQ 19th Biennial International Conference, 24-26 juin 1998 – Vancouver, Canada, Book 4, 104-114. À paraître dans Wat. Sci. Tech.

[7] Kunz P. M., Theunert B., Breitingen R., Wagner S. : Erkenntnisse und Erfahrungen aus praktischen Anwendungen der Klärschlamm-Desintegration, Korrespondenz Abwasser 43 (1996), n° 7, 1289-1298

[8] Tiehm A., Nickel K., Neis U. : The use of ultrasound to accelerate the anaerobic digestion of sewage sludge, Wat. Sci. Tech. 36 (1997) 11, 121-128

Remerciements

Les auteurs tiennent à remercier la Bayer AG et la région de Basse-Saxe pour leur soutien financier au cours de ces travaux. Actuellement, le projet s’est élargi au sein de l’Université technique de Braunschweig à une équipe de recherche interdisciplinaire soutenue par la Deutsche Forschungsgemeinschaft (organisme de recherche allemand).

L’équipe regroupe les personnes suivantes : G. Lehne, Dr J. Müller, L. Pelletier, Prof. J. Schwedes (Laboratoire de Génie des Procédés Mécaniques) ; S. Battenberg, Prof. R. Naveke (Laboratoire de Microbiologie) ; J. Kopp, Prof. N. Dichtl (Laboratoire de Traitement des Eaux) ; A. Scheminski, Dr R. Krull, Prof. D.C. Hempel (Laboratoire de Génie des Procédés Biologiques).