Haut degré d'épaississement obtenu sur des boues floculées à base d'hydroxydes ferriques

C’est la raison pour laquelle l’élimination des boues résiduelles d’origine métallique (aluminium ou fer) représente aujourd’hui un problème actuel. Devant l’urgence de trouver des solutions nouvelles aux méthodes de confinement des boues, également dans le traitement de l’eau, il a été publié au cours des dernières années de nombreuses études consacrées à l’étude de ces problèmes (16).

Dans la sédimentation des impuretés en suspension dans l’eau, des dispositifs lamellaires de fonctionnement continu, utilisés pour l’épuration de l’eau, remplacent aujourd’hui le procédé classique de décantation des matières en suspension et sont beaucoup moins encombrants que les bassins de sédimentation traditionnelle.

La présente étude décrit un procédé qui associe le processus de sédimentation à la séparation optimale possible des boues floculées à base d’hydroxydes ferriques.

1. — MISE EN ŒUVRE DE DISPOSITIFS LAMELLAIRES POUR LA SÉDIMENTATION.

D'une façon générale, les séparateurs lamellaires ont suscité ces derniers temps un intérêt croissant pour la sédimentation d'impuretés floculées, bien que les premières mises au point dans cette direction remontent au milieu du dix-neuvième siècle. Déjà par leur principe, les séparateurs lamellaires se distinguent par la faiblesse de leur encombrement superficiel et volumique en comparaison des installations de décantation conventionnelles. La qualité de l'eau obtenue après sédimentation dans des conditions de floculation comparables est souvent meilleure que celle des bassins de sédimentation conventionnels, pour toute une série de raisons.

Ce n'est pas seulement de ce point de vue que le choix des dispositifs lamellaires présente un intérêt notable ; les conditions exigées, tant pour la qualité de l'eau que pour la sécurité du fonctionnement ne sont satisfaites que par des séparateurs lamellaires de forme allongée, dont les plaques ont plus de 2 m de longueur, qui fonctionnent en courant continu ou dans lesquels la suspension floculée est introduite obliquement par rapport à la direction du courant. Ce genre de dispositifs possède une évacuation continue des boues qui n'a pas besoin d'être soutenue par une intervention extérieure, par exemple le soutirage brutal de la couche inférieure.

La construction de séparateurs lamellaires de ce type conduit à des économies sur les coûts de construction par rapport à tous les systèmes connus de séparation solide/liquide. Même si celles-ci, en raison des investissements plus élevés nécessités par les dispositifs lamellaires, sont partiellement absorbées, les dépenses restent toujours inférieures à celles des types conventionnels d'installation. Étant donné la faible surface nécessaire à une telle installation, elle peut également être incorporée à des usines de préparation d’eaux et à des installations de traitement d'eaux industrielles déjà existantes, même lorsqu’on ne dispose que de très peu de place.

La boue formée peut être soutirée de trémies situées au-dessous des séparateurs lamellaires. Lorsque les agrégats, généralement réunis en blocs, sont logés dans un bassin longitudinal, on peut envisager l'installation d'une évacuation mécanique, par exemple avec commande par chaîne. On a déjà utilisé aussi des systèmes d’évacuation par aspiration.

Comme conclusion à ces considérations, il faut retenir que l'emploi de la technique de séparation lamellaire permet de réaliser des économies et que le passage à ce principe de sédimentation peut être un premier pas dans le sens de l’amélioration de la rentabilité du traitement des eaux.

2. — L’ÉPAISSISSEMENT DES BOUES PROVENANT DU TRAITEMENT DES EAUX DE SURFACE PAR FLOCULATION.

Les boues légères provenant des installations de floculation sont en général épaissies statiquement dans des bassins séparés équipés de façon adéquate. En cas de dimensionnement normal de ces épaississeurs équipés de racleurs et d’évacuateurs de boues, on ne dépasse pas en Europe, étant donné la composition de l’eau brute, une teneur en matières solides de 5 % en masse — rapportée à la matière sèche contenue dans la boue de sous-verse avant déshydratation — que dans des conditions particulières. C’est vrai pour toutes les boues de floculation provenant du traitement de l’eau, qu’elles aient été séparées dans une installation de contact de matières en suspension de type connu ou dans un système lamellaire. Si l'on considère les concentrations en boue à la sous-verse de l’étage de sédimentation, il apparaît même un certain désavantage pour le système lamellaire ; la boue qui se dépose au fond du bassin n’a en effet qu'environ la moitié de la concentration en comparaison de la sous-verse d'un bassin de décantation connu à évacuateur ou d’une installation de contact de matières en suspension.

La figure 1 présente une vue d’ensemble des différentes phases et des principes de l’épaississement statique de boues à base d'hydroxydes métalliques provenant du traitement d'eaux de surface au stade actuel de nos connaissances.

La base de comparaison est une teneur en matières en suspension filtrables non dissoutes de 30 à 50 mg/l dans l'eau brute et une dose d’environ 50 mg/l de FeCl₃·6H₂O comme agent de floculation primaire. Pour 1.1 et 1.2, on a supposé une dose de polyélectrolyte de 0,3 à 0,5 mg/l, pour 1.3 une dose de seulement 0,1 à 0,2 mg/l. On présuppose qu'il n'y a eu aucune autre addition de produit chimique dans les divers épaississeurs de boue. Malgré la différence de concentration initiale à la sous-verse de la sédimentation, les boues des installations de contact et des séparateurs lamellaires ne présentent pratiquement plus de différence de concentration après épaississement. Les taux d'épaississement atteints sont toutefois faibles, leur maximum est de 5 % en masse.

Le procédé suivant 1.3, à savoir l'association d'un séparateur lamellaire de type déterminé avec un épaississeur conventionnel, présente cependant — et cela dans le fonctionnement à un seul étage — des avantages marqués, tout d'abord du point de vue de la concentration des boues à la sous-verse avant le stade de déshydratation. La teneur en matières solides de la boue extraite atteint 15 à 20 % en masse de matière sèche, la boue est donc trois à quatre fois plus concentrée que la boue de floculation épaissie dans les systèmes à deux étages séparés. La règle suivant laquelle les boues obtenues au moyen d'un étage d’épaississement sont d’autant plus concentrées que le rapport entre les produits de réaction de floculation et la charge en matières en suspension de l’eau brute est grand, s'applique aussi à l'emploi du système combiné.

La figure 2 sert à la classification quantitative des valeurs obtenues avec le procédé suivant 1.3. Le facteur de transfert statique « α » est défini comme le rapport entre les concentrations maximales atteintes jusqu'ici par épaississement séparé de boues de floculation provenant du traitement des eaux de surface et les concentrations de sous-verse qui peuvent être atteintes par utilisation du procédé combiné 1.3.

Une valeur de α de 9 est le maximum obtenu jusqu'ici ; elle n'est obtenue que par un épaississement dans une installation technique LME. On ne constate cela que lorsque la boue de floculation est constituée à au moins 80 % par le produit de la réaction de floculation, ici les hydroxydes de fer, et que la teneur en matières en suspension dans l'eau brute est d’environ 1 mg/l. Les boues formées dans ces conditions lorsqu’on emploie des techniques conventionnelles ne représentent encore, même après épaississement statique séparé soutenu mécaniquement, que des concentrations en matières solides de l’ordre de 0,8 à 1,2 % en masse et ne peuvent être déshydratées mécaniquement que moyennant une dépense énorme en agents chimiques de conditionnement — si toutefois cette déshydratation est possible.

C’est l’une des raisons pour lesquelles, en particulier dans les cas où la teneur de l’eau brute en matières en suspension est faible, on a préféré renoncer à utiliser le procédé de floculation et de sédimentation comme phase préliminaire du traitement de l’eau.

Par contre, avec le procédé décrit ici, on obtient des concentrations de boue allant jusqu’à 9 % en masse. La déshydratation peut alors avoir lieu sans difficulté avec des filtres-presse à plateaux, moyennant une consommation normale de produits chimiques.

Lorsque la teneur de l'eau brute en matières en suspension minérales croît, le facteur α décroît pour une concentration maximale en matières solides supposée dans le domaine de 15 à 20 % en masse, et il se stabilise autour de la valeur 3. L’expérience acquise sur plusieurs grandes installations industrielles travaillant suivant le principe séparateur lamellaire avec épaississement combiné LME montre que, même pour des concentrations plus élevées en matières en suspension, α ne continue pas à diminuer, car par exemple en cas de crues on peut atteindre des teneurs des boues en matières solides de plus de 20 % en masse.

L’utilisation du principe LME pour l'épaississement des boues modifie aussi fondamentalement les bases pour le dimensionnement d'une installation de déshydratation ; ces proportions doivent être prises en considération. Des charges extrêmement élevées de matières solides peuvent être absorbées au moyen d'installations relativement petites.

Il apparaît donc, après association d'un séparateur lamellaire approprié et d’un épaississeur de type classique, outre l'économie de volume et de place, un nouvel avantage dans l'utilisation d'un dispositif lamellaire pour la sédimentation : la diminution des boues produites d’au moins 65 % dans toutes les conditions imaginables de fonctionnement d'une installation de traitement des eaux.

3. — PRINCIPE LME DE L'ÉPAISSISSEMENT DES BOUES.

L'association de séparateurs lamellaires de type déterminé et d'un épaississeur de boue de type conventionnel conduit à la technique LME mentionnée. La condition première du succès de ce procédé est le choix du séparateur lamellaire, dans lequel la phase aqueuse doit être amenée suivant des règles précises. Au-dessous des plaques, il ne doit y avoir aucun courant, comme c'est le cas par exemple dans des séparateurs tubulaires et des séparateurs à plaques ondulées de type classique.

Tous les systèmes lamellaires ont en commun — et c'est un grave inconvénient de cette technique quand il ne peut pas être supprimé de façon adéquate — que les agrégats solides formés au cours de la sédimentation lamellaire sont extrêmement discontinus. Les flocs obtenus qui contiennent de grandes quantités d'eau sont relativement stables, ils se forment dans le compartiment à boues au-dessous du séparateur lamellaire et conservent leur format sensiblement sphérique. L'installation d’un dispositif de raclage déplaçant la boue floconneuse sur le fond du bassin en direction de l'intérieur n'y change pas grand-chose car la nécessité de soutirer la boue de l'espace situé au-dessous des séparateurs lamellaires est déterminée par le volume de la boue non épaissie. Il s’ensuit de fréquents soutirages de boues.

L'emploi de séparateurs lamellaires passant, système Johnson, dont les orifices inférieurs de sortie des matières solides se trouvent au-dessus de l'écoulement de l’eau clarifiée, permet tout d’abord la séparation de la plus grande partie de l'eau qui entoure le floculat pendant la sédimentation, sans que ces quantités d'eau ne pénètrent dans l'épaississeur. Le remplissage du volume de l'épaississeur peut alors, en raison de sa structure spatiale, s’effectuer d'une façon extrêmement régulière, sur environ 80 à 90 % de sa surface.

On a constaté dans des installations expérimentales et à l'échelle industrielle qu'une phase essentielle du procédé est le contact mécanique immédiat des flocs volumineux tombant des séparateurs avec une installation de raclage mécanique, comme celle qu’on connaissait déjà dans les épaississeurs conventionnels. Le contact mécanique des particules qui sédimentent doit avoir lieu pratiquement aussitôt après la sortie des flocs des séparateurs, donc dans la couche supérieure du volume de l'épaississeur. Cette couche est pratiquement exempte de courants.

Sous l’influence du contact mécanique, les flocs volumineux se désagrègent ; les fragments ainsi formés ne se recombinent pas. Il n'y a pas de courant qui augmente la fréquence des contacts des fragments de particules. Une recombinaison correspondrait au processus de floculation où de petits fragments se réuniraient à nouveau en particules de plus grand volume en incluant de grandes quantités d'eau.

Des épaississeurs conventionnels alimentés par la tubulure centrale possèdent cet inconvénient au plus haut degré. Même si l'on utilisait dans ce cas un racleur de boue identique à celui d'une unité LME, la recombinaison des flocs dépendant à l’entrée de la boue dans l’épaississeur peut s’effectuer dans au moins 70 à 80 % de la partie supérieure du volume de l'épaississeur séparé, en raison de la turbulence qui y règne. Ce même phénomène, en raison des conditions de fonctionnement discontinu et de la forte turbulence, est perdu pendant le processus d’épaississement proprement dit. La partie non turbulente de l'épaississeur d'une installation LME constitue pratiquement un système d'épaississement étendu — sans que pour cela le volume de l'épaississeur ait dû être augmenté en comparaison de constructions conventionnelles, où l'épaississeur de boue serait monté séparément mais aurait les mêmes dimensions. Ainsi augmente aussi indirectement le temps de séjour des particules dans la zone d'épaississement proprement dite et, jusqu'à un certain point, aussi la concentration des boues après un temps déterminé.

En raison de la concentration élevée en matières solides qui apparaît déjà dans les couches supérieures du volume des boues, on est assuré d'avoir une grande fréquence de contacts entre le racleur en mouvement et les flocs restés en dehors de la phase aqueuse de la zone d'épaississement et la libération de l'eau restée à la surface des particules solides est encore améliorée.

Cependant, le temps de séjour des flocs dans la partie épaississeur d'une unité LME ne semble pas être le facteur déterminant qui conduit à cette concentration de la boue en matières solides extrêmement élevée, encore jamais observée dans des conditions analogues en technologie des eaux. Déjà 24 heures après la mise en service d'une grande installation, les concentrations des boues de sous-verse étaient, avec 110 g/l, plus de deux fois plus élevées que celles obtenues jusque-là dans des conditions comparables avec des systèmes à plusieurs étages.

4. — DÉSHYDRATATION DES BOUES ÉPAISSIES SUIVANT LE PRINCIPE LME.

L'application du principe LME réduit tout d’abord d'environ 65 à 85 % le volume de la boue produite dans le traitement des eaux de surface par floculation et sédimentation. En même temps on a trouvé que, quelles que soient l'eau brute, ses caractéristiques et sa composition, le prétraitement chimique de la boue épaissie de cette façon ne doit être effectué qu’avec la même quantité, voire même avec de plus faibles quantités d'hydrate de calcium que des boues notablement moins concentrées provenant d'installations à plusieurs étages. Il en ressort une réduction des dépenses en produits chimiques pour la déshydratation des boues, dans la proportion où le volume de la boue a diminué.

Lorsque les matières en suspension floculées d’une eau de surface sont épaissies suivant le principe LME, il se forme en règle générale une boue pâteuse, indépendamment de la concentration de l'eau brute en matières en suspension. La consistance pâteuse ne permet pas de reconnaître la structure du floc. Pour cette raison, il n’a pas été possible de présupposer que la possibilité de déshydrater la boue, exprimée en capacité de filtration en kilogrammes de matière sèche par mètre carré de surface de filtre et par heure, pourrait être reproduite de façon comparable aux valeurs usuelles jusqu’ici ou serait éventuellement améliorée.

Lors de la déshydratation au filtre-presse sous 15 bars de pression, on a obtenu dans les conditions techniques utilisées jusqu'à présent des capacités de filtration entre 1 et 2 kg et allant dans des cas particuliers jusqu’à 2,5 kg de matière sèche par mètre carré de surface filtrante et par heure.

La figure 5 représente ces résultats sous une forme généralisée. (La base de comparaison choisie est une série de résultats industriels d'installations de déshydratation de boues fonctionnant dans des usines d’eaux où la floculation des eaux de surface est provoquée par des sels de fer — et en outre une série de résultats d’essais semi-industriels de déshydratation de boues à base d’hydroxydes de fer provenant du traitement des eaux de surface.)

On peut voir dans quels domaines de débit la déshydratation des boues au moyen de filtres-presse s'est cantonnée jusqu'à présent. Avec des boues légères, on peut, dans certaines conditions de fonctionnement, obtenir avec des filtres-presse des débits.

fonctionnement avec les boues LME.

A : Domaine de fonctionnement connu jusqu'à présent. B : Domaine de fonctionnement avec les boues LME.

Les rendements obtenus sont très élevés en litres lorsque la déshydratation des boues peut être effectuée par ce procédé. Mais les capacités des filtres exprimées en kilogrammes de matière sèche par mètre carré de surface filtrante et par heure restent faibles.

Cependant, les conditions de déshydratation varient essentiellement lorsque les filtres-presses peuvent être alimentés avec des boues dont la concentration en matière sèche dépasse la limite jusqu'à présent infranchissable.

La figure 7 montre qu’avec 18 % en masse de matière sèche dans la boue de traitement des eaux de surface par floculation au chlorure de fer et avec un facteur de transfert statique ε = 3,3, on atteint une capacité de filtration d’environ 9 kg de matière sèche par mètre carré et par heure.

Lorsque la valeur de ε croît, la capacité spécifique de filtration diminue ; mais elle reste nettement au-dessus des faibles valeurs jusqu'à présent inévitables, que montrent les courbes de répartition 13.1 et 13.2.

Pendant la sédimentation de l’épaississement des suspensions apparaissant au cours du traitement des eaux de surface par floculation suivant le principe LME, on ne met en œuvre ni énergie ni produits chimiques. On peut certainement rapporter les capacités de filtration atteintes dans les grandes installations industrielles aux avantages des conditions de fonctionnement de l’ensemble de l’installation, provenant éventuellement de ce que la plus grande partie de l’épaississeur est remplie d'une boue ayant sensiblement la même concentration. Les conditions de déshydratation ne varient pas, même pendant le processus de filtration.

5. — ÉTUDE DES CARACTÉRISTIQUES DE LA BOUE

Les taux d’épaississement et de déshydratation étonnamment élevés obtenus avec des boues d’associations combinées séparateur lamellaire/épaississeur ne sont pas seulement liés aux conditions géométriques dans lesquelles se déroulent les processus de sédimentation et d’épaississement, mais doivent être imputés à des processus de restructuration de la boue elle-même. Trois boues différentes ont été largement étudiées sous ce rapport.

1. — Les boues désignées ci-après par A₀, A₁ et B ont été obtenues par floculation d'une eau de surface prélevée dans le Rhin et stockée tout d’abord dans un bassin-réservoir non couvert d'une capacité de plusieurs centaines de milliers de mètres cubes.

Cette eau, d'une teneur en matières solides d’environ 1 mg/l, était à peu près exempte de matières en suspension. La déstabilisation et la floculation ont été effectuées à l'aide de chlorure de fer, en utilisant une quantité correspondant à une addition de 7 mg/l Fe³⁺ dans les conditions de déstabilisation. Le pH a été corrigé à la lessive de soude. Comme accélérateur de sédimentation, on a employé un polyélectrolyte à base d’amidon, à raison d’environ 1 mg/l. Les résultats décrits ci-dessous peuvent toutefois être obtenus aussi sans aucune addition de polyélectrolyte pendant la sédimentation.

Les boues A et B ont été produites exactement dans les mêmes conditions en ce qui concerne la floculation et l'addition de produits chimiques. La sédimentation a eu lieu dans les deux cas dans un système lamellaire précédé d'un dispositif de floculation à quatre étages et d'un étage de déstabilisation à turbulence élevée. La boue A a été introduite dans un séparateur tubulaire classique, recueillie à la sous-verse, puis soumise à un épaississement indépendant. La boue A₁, de même composition que la boue A₀, a été obtenue après deux jours de concentration ; la hauteur maximale de boue de cette installation est de 1,7 m.

La courbe de répartition de la boue A₁ n’a pas varié après épaississement. La suite des phases du processus qui conduit à ce résultat correspond au dispositif de la figure 13.2.

On peut reconnaître que le processus très communément employé aujourd'hui d’épaississement indépendant des boues conduit presque exclusivement à une réduction de volume. On peut donc s'attendre à ce que non seulement le taux d’épaississement des boues d’hydroxydes, mais aussi leur capacité de déshydratation, comme celle représentée sur la figure 5, se heurtent à des limites maximales déterminées qui ne peuvent pas être dépassées avec les techniques à plusieurs étages utilisées jusqu'à présent.

Pour les échantillons qui ont conduit aux courbes de répartition des figures 13.1 et 13.2, il s'agit dans chaque cas de boues de sous-verse des séparateurs tubulaires avant et après l’épaississement indépendant. Les courbes 13.3 et 13.4 peuvent alors être reliées aux résultats extrêmement surprenants obtenus par la mise en service des associations combinées et le résultat de la modernisation.

2. — La boue C provient d'une association séparateur lamellaire/épaississeur en service dans une grande usine, utilisant également le séparateur lamellaire à courant continu, système Passavant/Johnson.

La partie épaississeur de cette installation permet une hauteur maximale de boue de 3 m ; le volume de boue qu'elle peut contenir est de l'ordre de 250 m³. Alors que l’eau brute qui a donné par floculation les boues A et B était à peu près exempte de matières en suspension, on avait pour la boue C jusqu'à 80 mg/l de matières solides en suspension dans l'eau brute. C'est de là que provient la différence des caractéristiques microscopiques de ces boues.

5.1. — Étude microscopique

Les études microscopiques décrites ci-après ont été effectuées au moyen d'un microscope polarisant Leitz de grossissement 25 à 50, avec et sans polariseur. Les substances amorphes, l'eau et les corps organiques sont invisibles en lumière polarisée. Des structures cristallines peuvent être détectées et caractérisées par une étude au microscope polarisant.

Afin d’éviter des erreurs d'appréciation, certains échantillons de boue ont été concentrés dans une centrifugeuse de laboratoire pendant 15 minutes à 4 000 tours/minute (7).

À ce propos, il doit être mentionné que jusqu’à présent la littérature n'a pas signalé l’existence de structures cristallines dans les boues d’épaississeurs conventionnels opérant indépendamment de la sédimentation.

5.2. — Étude de la dimension des particules

Comme hypothèse de travail, nous sommes partis de l'idée que la plus grande facilité de déshydratation des boues provenant de systèmes LME pourrait être imputable au fait que la surface d’où l'eau doit être éliminée est plus faible par unité de masse de matière sèche que dans les boues à structure amorphe. Cette hypothèse a été confirmée par des études granulométriques. Nous avons utilisé un Coulter-Counter modèle TA pour déterminer la répartition des dimensions des particules. Les conditions de précision exigées pour cette recherche ont été respectées dans l'étude des diverses boues A, B et C dont les courbes de répartition sont représentées sur la figure 6.

été représentés sur la figure 4. Ainsi, la dimension moyenne des particules d'un échantillon de la boue B, prélevé 12,5 cm au-dessous de la surface libre de la boue, est déjà de 14 µm. Cette valeur est le double de la valeur correspondante des courbes 13.1 et 13.2.

Tandis que dans ces deux cas on a trouvé des dimensions maximales de particules de 15 µm, la courbe 13.3 montre déjà des valeurs maximales de 50 µm. Ainsi apparaît un déplacement net du classement de la masse par unité massique de la matière solide dans la boue en direction des plus grandes dimensions de particules.

Ce déplacement serait encore mieux mis en évidence si la répartition des particules était représentée linéairement et non logarithmiquement en abscisse. L'échantillon de la boue B dont provient la courbe 13.4 a été prélevé à la sous-verse, 1,1 m au-dessous de la surface libre de la boue de l'unité LME. La dimension moyenne des particules est de 22 µm, avec un maximum de 90 µm, contre 15 µm pour les échantillons 13.1 et 13.2. La concentration correspondante en matières solides était pour la boue A, inférieure à 0,2 %, pour A, environ 1,0 % et 8,5 % pour la boue de sous-verse B.

Sur la figure 2, on a essayé d'introduire un facteur de transfert statique qui définit le rapport des concentrations maximales des boues de sous-verse susceptibles d'être obtenues avec les techniques antérieures à deux étages aux concentrations des boues de sous-verse des installations LME. D'après les mesures effectuées au Coulter-Counter, il semble indispensable, si l’on veut introduire le facteur de transfert statique et obtenir une quelconque augmentation de la concentration des boues de floculation à base d'hydroxydes métalliques en direction d'un maximum théorique, qu’au cours du processus d'épaississement les dimensions des particules qui étaient amorphes augmentent et qu'il se produise par conséquent une évolution de la masse de la matière sèche de la boue vers des particules de plus grand diamètre. Une simple augmentation du taux d’agrégation — comme il ressort de 13.1 et 13.2 — ne peut pas être rendue responsable de la croissance de la concentration de la boue.

5.3. — Calculs concernant les caractéristiques de la boue.

La taille moyenne des particules est déterminée par des mesures au Coulter-Counter à partir de la courbe cumulative. Les courbes de répartition suivant la figure 6 donnent toutefois des renseignements encore plus précis sur la répartition des particules. On peut même essayer de prévoir par ce moyen les concentrations de boue qui peuvent être atteintes à l'aide d'un modèle très simple.

Le but des considérations mathématiques en rapport avec l'exploitation des résultats de mesure au Coulter-Counter était la détermination de l'influence que la variation de la dimension des particules pouvait avoir du point de vue théorique sur la concentration des boues d'hydroxydes. Pour ce calcul, il était nécessaire de faire un certain nombre d'hypothèses — même justifiées :

1° Pour les particules d'hydroxydes de la boue considérées, on a présupposé une forme sphérique. Les particules sont entourées d'une couche d'eau.

2° Les boules hydratées entourées d'eau sont disposées à l'intérieur d'un cube qui enferme également l'eau d'hydratation de la particule.

3° Comme concentration-étalon, c’est-à-dire comme concentration de base pour la détermination de la teneur théorique en matière solide dans les boues d'hydroxydes, on a pris 2 % en masse de matière sèche. Le diamètre moyen de particule à l'intérieur d'une boue de cette concentration a été supposé égal à 7 µm (c'est sur cette base qu'est effectué le calcul de l'épaisseur de la couche d'eau suivant la relation matière solide/eau à l'intérieur du cube).

4° La teneur en matières solides de boues de diamètres de particules différentes a été déterminée dans l'hypothèse du même taux d'hydratation, c'est-à-dire de la même épaisseur de la couche d'eau fixée. La figure 7 illustre la définition de cette conception de base du calcul.

Pour des particules d'un diamètre de 7 µm (mesuré au Coulter-Counter) et une concentration supposée de 2 % en matières solides, on a

R = 3,5 µm,  

correspondant à un volume par particule de  

4/3 · π · (3,5)³ µm = 180 µm³ = 4,80·10⁻² cm³.

Comme densité ρ, on a pris dans cet exemple 2,4 g/cm³ comme valeur représentative des hydroxydes. Cela donne comme masse par particule :

180·10⁻⁷ · 2,4 g  
= 4,32·10⁻⁷ g par particule.

Une boue à 2 % est caractérisée ici par une teneur de 20 g/l de particules, soit

20 / 4,32·10⁻⁷ = 4,6·10⁸ particules/l,

correspondant à

4,6·10⁸ cubes/l,

chacun ayant un volume de :

1 000 / 4,6·10⁸ = 2,16·10⁻⁴ cm³.

Longueur de l'arête du cube :

(2,16·10⁻⁴)^(1/3) = 2,785·10⁻² cm  
= 27,85 µm (grandeur x de la figure 7).

L'épaisseur de la couche d'eau ressort à :

(x/2 − R) = 13,925 − 3,5 = 10,425 µm.

Cette épaisseur de couche a servi de base à tous les calculs suivants en vue de la représentation des phénomènes selon la figure 8.

Pour les particules d'un diamètre de 14 µm, on a

x = 35 µm.

La densité du cube se déduit du rapport :

masse de la particule + masse de l'eau qui l’enrobe  
--------------------------------------------------  
volume du cube

Masse de la particule :

4/3 · π · (7·10⁻⁴)³ · 2,4 g = 3 439·10⁻⁷ g.

Masse de l'eau :

(volume du cube − volume de la particule) · 1  

= (35·10⁻⁴)³ − 4/3 · π · (7·10⁻⁴)³  
= 41 441·10⁻⁷ g.

On obtient donc pour la densité :

(3 439·10⁻⁷ + 41 441·10⁻⁷) / (35)³·10⁻²  
= 1,047.

Dans notre exemple théorique, la densité de 1,047 correspond à une concentration de la boue en matières solides de 4,7 %.

Les courbes représentées sur la figure 8 peuvent être obtenues pour tous les autres diamètres de particules par un calcul analogue, mais en tenant compte, pour les hydroxydes métalliques, d'une seconde valeur de la densité, qui a été fixée à 3,5.

Des mesures exactes de la densité d’hydroxydes ne peuvent pas être effectuées, pour des raisons évidentes. Mais l'hypothèse bien fondée que les produits de réaction de floculation à l'aide de sels de fer ne peuvent pas non plus dépasser une densité de 3,5 est justifiée.

Indépendamment de ces questions, la figure 8 montre clairement que la capacité d'épaississement des boues de floculation constituées principalement d’hydroxydes métalliques est fonction du diamètre des particules constitutives de la boue.

La figure 8 montre également les concentrations maximales en matières solides des boues d’hydroxydes qui, avec une probabilité voisine de la certitude, ne peuvent pas être dépassées par l'une quelconque des méthodes actuellement connues d'épaississement avec raclage sans apport de produits chimiques ni énergie.

Avec l'accroissement des dimensions des particules à l'intérieur de la boue, diminue en même temps la surface par unité de masse de la matière sèche de la boue. On peut voir sur la figure 9 dans quelle mesure la diminution de la surface des matières solides de la boue progresse lorsque le diamètre moyen des particules augmente. La surface des particules par unité de masse de matière sèche diminue déjà de 69 % lorsque le diamètre moyen des particules croît de 7 à 22 µm. En même temps, la mobilité des particules par électrophorèse, donc aussi leur charge négative, diminue d’environ 50 %. Il s’ensuit également une plus grande facilité d'épaississement des boues à base d’hydroxydes métalliques, de même qu'une augmentation notable des performances de la déshydratation mécanique des boues.

On comprend alors pourquoi en l'état actuel de la technologie de l'eau et de la déshydratation mécanique des boues certaines performances de filtration comme celles qui sont représentées sur la figure 5 n'ont pas pu être dépassées. Lorsque la dimension des particules, en cas d’épaississement indépendant de boues à base d’hydroxydes métalliques, reste faible et que par suite la surface par unité de masse de matière sèche reste grande, une concentration de ces boues de 2 à 4 % de MS, par exemple, n’entraîne aucune amélioration de la rentabilité de la déshydratation de la boue. Dans le domaine de concentration ci-dessus, on se heurte aux limites représentées sur la figure 5.

5.4. — Discussion des résultats.

En comparaison des boues obtenues par des méthodes conventionnelles (sous-verses suivant 1.1 et

1.2), les boues de sous-verse d’associations séparateur lamellaire/épaississeur ont des structures modifiées, des diamètres moyens de particules plus élevés et des surfaces plus faibles par unité de masse de matière sèche.

Les agrégats ordonnés, qui peuvent être localisés et identifiés à l’aide de la biréfringence au microscope polarisant, ne sont pas seulement la cause d’effets optiques, mais également de conséquences importantes qui doivent être utilisées pour l’épaississement et la déshydratation des boues. Il n’a jamais été fait mention jusqu’à présent dans la littérature de ce genre de structures dans les boues provenant du traitement des eaux.

Des travaux antérieurs amènent à penser que les cristallites observés sont constitués d’hydroxydes de fer déjà désignés par Kruyt (6) sous le nom de « tactoides ». Les tactoides sont obtenus par agrégation de cristaux en forme d’aiguilles qui s’assemblent suivant une structure ordonnée. On sait que les hydroxydes de fer peuvent former des tactoides qui sont également biréfringents. Il est cependant peu vraisemblable que la formation de tactoides puisse être rendue responsable des résultats obtenus. Une explication plus plausible des phénomènes observés sur les boues LME semble être la croissance extrêmement rapide des particules. Cette hypothèse est étayée par le fait que, dans le calcul direct des concentrations que la boue peut atteindre en fonction de la taille des particules (figures 8 et 9), on obtient des résultats qui correspondent qualitativement et pour une grande part aussi quantitativement aux conditions observées dans la pratique.

Les conditions de pression qui règnent à l’intérieur du compartiment des boues d’une unité LME ne semblent pas non plus être responsables de la formation de particules d’hydroxydes notablement plus grandes.

Un échantillon de la boue A a été traité pendant 20 heures dans une ultracentrifugeuse à 30 000 g sans qu’on puisse observer de modification de structure. Le vieillissement des hydroxydes de fer, si l’on considère la courbe de répartition 13.3, n’explique pas non plus la rapide croissance des agrégats observés. En outre, on n’a pas encore pu constater jusqu’à présent d’influence des conditions de déstabilisation et de floculation sur la formation des particules de grand diamètre. Les raisons essentielles de la restructuration des hydroxydes de fer dans les boues LME ne sont donc explicables qu’en partie pour le moment. Les résultats exposés ici sont reproductibles indépendamment de l’eau brute, de sa concentration en sels et de sa teneur en matières en suspension. Diverses fractions de charges organiques, qui sont absorbées pendant le processus de floculation, sont également sans influence sur les phénomènes décrits.

La pratique a enseigné depuis longtemps que l’épaississement et la déshydratation de boues à base d’hydroxydes métalliques provenant du traitement des eaux de surface se heurtent à des difficultés particulières et à des limites dues au seul fait qu’il n’était pas possible jusqu’à présent de provoquer le grossissement des particules d’hydroxyde de fer. C’est pour cette raison que le procédé décrit ici offre à la technologie de l’eau une solution nouvelle plus rentable pour l’épaississement et la déshydratation des boues. Il faut mentionner que la modification de la structure de la boue augmente également de beaucoup les performances connues jusqu’ici de la filtration sous vide, ce qui permet d’économiser encore de notables quantités de produits chimiques de conditionnement.

6. — RESUME.

Il a été décrit un procédé à l’aide duquel on peut effectuer une concentration des boues à base d’hydroxydes de fer produites dans le traitement de l’eau par floculation et sédimentation bien au-delà des valeurs connues jusqu’à présent. Il est caractérisé par l’intégration de la sédimentation à l’aide de séparateurs lamellaires de type déterminé et l’amélioration par raclage de l’épaississement des boues. Rapportée aux conditions variables du traitement des eaux de surface par floculation, la production de boue est réduite de 60 à 85 % — suivant la concentration de l’eau brute en matières en suspension. Les effets observés de la restructuration de la fraction hydroxydes de fer de la boue conduisent en outre à une très grande augmentation des possibilités maximales de filtration connues jusqu’à présent en déshydratation mécanique des boues. Des recherches de laboratoire effectuées sur différentes boues ont permis de déceler la cause de ce surprenant comportement à l’épaississement et à la déshydratation. L’analyse granulométrique et un modèle de calcul donnent des indications sur les concentrations maximales théoriques qui peuvent être atteintes au cours de l’épaississement statique des boues à base d’hydroxydes.

BIBLIOGRAPHIE

(1) Werner, G. : Élimination des boues résultant de la préparation de l’eau potable (Beseitigung von Schlammen der Trinkwasseraufbereitung). Brock BVGW., Wasseraufbereitung-Wasserzahler.

(2) Faber, H.A., Klomp, K.C., et al. : AWWA Research Foundation Removal of Wastes from Water Treatment Plants Part. 1-4. Journal AWWA 68 (1969) et 69 (1970).

(3) Dick, R.A. : Sludge Dewatering. Journal AWWA, 1975 (ID).

(4) Roberts, K., et Olsson, O. : The influence of colloïdal particles on UF sludge activated sludge. Envir. Sci. and Techn. 9 (1975) p. 50.

(5) COST 68/2 Final Report on Eurocop-Cost Project 68/2 — Sludge Dewatering (1975). EEC Scientific Commission, Brussels.

(6) Kruyt, H.R. : Colloid Science (1982). Elsevier Publ Amsterdam.

(7) Ekwall, P., Fontell, K., et Mandell, L. : Phase equilibria, one sodium deoxycholate + decane H2O system. Acta Polytechnica Scandinavica 3 (1968), p. 77.

(8) Hahn, H., et Klute, R. : Coagulation and Floculation, in actions of State Internal Research Board of UNESCO 50th National Colloid Symposium, Puerto Rico, June 1976.

G. von HAGEL – K. ROBERTS