Cet article décrit une nouvelle possibilité de traitement des boues des installations d'épuration, dont le recyclage est souvent problématique. Un granulé sec favorable à l'environnement, qui possède des caractéristiques idéales comme engrais, peut être préparé dans une installation de séchage et de déshydratation combinée. Le coût de production du granulé est également indiqué.
INSTALLATIONS D’ÉPURATIONET BOUES RÉSIDUAIRES
L'édification intensive d'installations d'épuration, principalement pour le traitement des eaux usées communales et industrielles afin de préserver notre environnement, entraîne une production de boues résiduaires en forte croissance. Des installations modernes des eaux usées (STEP) sont constituées de plusieurs étages de traitement pour tenir compte des caractéristiques individuelles des polluants présents dans les eaux usées.
Les eaux usées ménagères, en partie mélangées à des eaux usées artisanales et industrielles légèrement polluées, peuvent généralement être suffisamment traitées dans les installations d'épuration d'eaux usées communales. Les eaux usées industrielles présentant des valeurs extrêmes de produits toxiques et polluants, de produits chimiques, etc., exigent par contre souvent des traitements préalables intensifs, de préférence par le responsable ou, plus utilement, par des procédés séparés des installations communales. Cela permet, dans des installations d’épuration des eaux usées industrielles indépendantes, des étages d’épuration optimaux et des circuits fermés avec un recyclage correspondant.
Le degré d'épuration des eaux usées est fonction du genre de la charge d’entrée et de la réutilisation. Les spécifications des phases liquides, mais également polluées, sont définies par les autorités et sont constamment adaptées aux exigences de la protection de l'environnement. Des exigences très élevées sont imposées dans le cas de l'eau potable. Il existe, pour rejeter les eaux usées aux circuits d'eau naturelle par les égouts, des prescriptions particulières sur la qualité de l'eau qui doit être obtenue dans les installations d’épuration.
La figure 1 représente une conception typique d’épuration communale des eaux usées, élargie par différentes possibilités de traitement et de réutilisation des boues résiduaires.
Les stades très importants des installations d’épuration communales résident dans la clarification des eaux usées : on cherche à obtenir par sédimentation naturelle un débordement d'eau clarifiée exempte, dans la mesure du possible, de matières solides, dans de gigantesques bassins de clarification.
La phase restant dans les bassins avec les particules solides polluées, généralement sous forme de sédiments, est désignée par boues. En général, il s'agit là de boues résiduaires.
Les boues provenant des installations d’épuration communales, mais également industrielles, sont de plus en plus considérées comme un véritable produit intermédiaire du fait que, sous cette forme, elles ne peuvent généralement pas être réutilisées ni quitter la station d'épuration. D'importantes quantités d'eau doivent encore être éliminées et la matière solide séparée de manière qu'elle convienne pour le genre de traitement des boues qui aura été choisi. Alors qu'il y a encore une dizaine d'années l'élimination des boues résiduaires se faisait dans l'agriculture, les décharges publiques, etc., cela était considéré comme des solutions normales, simples, mais généralement incontrôlées. Un problème complexe de l’environnement en est résulté.
Les exigences de recyclage et de rentabilité de notre époque sont aujourd'hui tout particulièrement applicables au traitement des eaux usées et de leurs boues résiduaires. Les composants des boues des stations d’épuration communales contenant par exemple des fractions organiques largement supérieures à 50 %, mais également des fractions de nature minérale, confèrent aux matières solides de précieuses valeurs nourricières et d’engrais. En tant qu’amendement, ils agissent contre la minéralisation des sols. Les boues provenant en particulier des installations d’épuration communales, complétées par un troisième étage d’épuration, généralement d’élimination des phosphates, enrichissent leurs matières solides de composants d’engrais (N, P, K) allant de 4 à 15 % en poids. Les valeurs nourricières et d'engrais, les matières polluantes et toxiques, les bactéries et les salmonelles représentent d'autres critères à observer.
INSTALLATIONS DE SÉCHAGEET DE DÉSHYDRATATION COMBINÉES (fig. 2)
Les installations de séchage et de déshydratation combinées ESCHER-WYSS sont utilisées pour l'élimination des boues résiduaires, adjointe à une utilisation rationnelle dans l'agriculture. Elles combinent le processus de pré-déshydratation mécanique des boues généralement prétraitées avec celui du séchage final thermique et les phases complémentaires de fabrication de granulés d'engrais utiles.
Grâce à un pré-épaississement statique, il est possible, avant l'introduction de la déshydratation mécanique des boues, de prélever des boues résiduaires à d'autres pour cent d'eau. Les impuretés se trouvant sous forme d'un gâteau de matières solides épaissies subissent de ce fait des diminutions de poids et de volume correspondantes. Elles offrent des facilités importantes pour les étages de traitement ultérieurs et les coûts de manutention pour des dépôts, hygiénisation, séchage, incinération, etc.
Le développement des polymères organiques de poids moléculaire élevé et leur application en tant qu’agent de floculation ont apporté une amélioration considérable du degré de séparation des machines de déshydratation, si bien qu’aujourd'hui de tels agents peuvent être mis en œuvre économiquement et de façon accrue pour la déshydratation des boues.
La clarification obtenue par sédimentation ou décantation est très largement accentuée par la mise en œuvre de décanteuses centrifuges ; l'accélération et les forces centrifuges augmentant la vitesse de précipitation des particules solides. De telles machines sont par exemple connues sous la forme de
centrifugeuses de clarification, de décanteurs rapides, de superdécanteurs, ou de décanteuses à vis et sont désignées par décanteuses centrifuges (fig. 3). La mise en œuvre de ces machines est aussi tout particulièrement indiquée pour la clarification de grandes quantités de liquides (p. ex. d’eaux d’égout).
L'objectif de la déshydratation mécanique des boues par prélèvement de l'eau est la production d'une phase de matières solides, dont le traitement et l'utilisation ultérieurs doivent être les plus économiques possibles. D’autre part, les composants liquides doivent être séparés de telle façon des particules solides qu’ils puissent être recyclés sans nuire à l'installation de clarification. Étant donné que dans le cas des boues des eaux d’égout il s'agit de suspensions comprenant de nombreuses variables et souvent des grandeurs influentes non mesurables, il n'est pas possible de formuler des indications générales concernant le comportement de déshydratation qui puissent être transposées à d'autres genres de boues ou systèmes de déshydratation.
Les décanteurs centrifuges sont des machines qui, en appliquant le principe de la sédimentation et de l'accélération centrifuge, sont utilisées pour assurer une séparation continue des mélanges solides-liquides. La désignation rendement en matières solides est généralement utilisée pour la phase solide sortante, l'expression produit de centrifugation pour le liquide clarifié, respectivement « centrat ».
Le tambour à enveloppe pleine en rotation est constitué d'une partie cylindrique longue et d'une partie conique. Le déversoir du trop-plein, par lequel s'écoule le centrat, est prévu à l'extrémité libre du tambour cylindrique. Étant donné que le niveau est réglable en hauteur, le niveau du liquide dans le tambour peut être modifié.
La vis disposée concentriquement refoule les matières solides qui se sont déposées sur la paroi intérieure du tambour en direction de l'évacuation par l'intermédiaire de la partie conique du tambour. La vitesse différentielle nécessaire pour obtenir l’effet de refoulement est, en règle générale, obtenue par un réducteur planétaire disposé coaxialement et le plus fréquemment de manière que la vis soit en avance sur la vitesse du tambour. La vitesse du tambour, mais également la vitesse différentielle de la vis peuvent être modifiées grâce à des poulies à courroies trapézoïdales interchangeables sur le moteur d’entraînement et sur le réducteur.
Le mélange de boues fluides s'écoule dans la tête de répartition par l'intermédiaire d'un tube d'entrée central, où il est accéléré, et parvient dans le tambour. Le liquide est clarifié dans la phase de déplacement en direction de l'extrémité du débordement du produit de centrifugation. C'est pourquoi cette partie du tambour parcourue par le liquide est désignée par « zone de clarification ». La longueur de cette zone de clarification, et en conséquence la capacité de clarification sont non seulement fonction de la longueur de la partie cylindrique du tambour, mais également de la hauteur réglée du débordement et de la conicité de la partie conique du tambour.
Les matières solides transportées vers la partie conique du tambour sont repoussées par la vis au-dessus de la surface du liquide, où celui-ci est évacué et ramené dans la zone de clarification. La partie conique du tambour au-dessus du niveau de liquide s'intitule donc « zone sèche ». Les matières solides déshydratées parviennent au dispositif d’évacuation par des orifices situés à l'extrémité de l'enveloppe conique du tambour. La longueur de la zone sèche est fonction de sa conicité et de la hauteur du niveau réglé.
La longueur totale du tambour est relativement peu influencée par la différence de conicité d’environ 8-12° des différents types de centrifugeuses. C’est pourquoi le rapport entre la longueur totale du tambour H et le plus grand diamètre F est utilisé pour l'évaluation de la capacité de clarification. Ce rapport est désigné par degré d’allongement A et se situe, en règle générale, entre 2,5 et 4,5.
Les décanteurs centrifuges d'un degré d’allongement de 4 font partie du groupe des décanteurs d'eaux d’égout d'une haute capacité de clarification.
Le processus de sédimentation dans la zone de clarification est optimal lorsqu’il n'est pas perturbé par la moindre turbulence et des courants qui ne soient pas parallèles à la force centrifuge. La sédimentation exempte de perturbations entraîne des vitesses de sédimentation plus élevées et permet en conséquence une meilleure utilisation du temps de passage. Le débit peut ainsi être augmenté, ou la capacité de clarification accrue, ou bien des particules de matières solides plus fines ou en plus grand nombre peuvent se déposer dans le champ de la force centrifuge.
Les vitesses relatives entre la machine et la suspension sont fonction du débit et de la vitesse du tambour et de la vis. En conséquence, les décanteurs d'eaux d’égout sont utilisés à des vitesses réduites du tambour et de basses vitesses différentielles. Dans l’objectif d’obtenir une sédimentation la moins perturbée possible dans la zone de clarification, on doit s’orienter vers de petites vitesses différentielles entre la matière solide sédimentée et le liquide qui s'écoule.
En outre, des composantes de la vitesse dans la direction périphérique sont visiblement beaucoup plus importantes que celles dans la direction axiale. En particulier par comparaison aux décanteurs à courant parallèle, les vitesses différentielles dans la direction périphérique des machines à contre-courant sont plus petites. D'autre part, les décanteurs centrifuges à contre-courant se caractérisent par les avantages importants suivants :
- — Les matières solides sédimentées ne sont pas transférées sur la totalité du tronçon de clarification. Ceci apporte un soulagement complémentaire de la zone de clarification et des effets de tourbillonnement minimaux des matières solides déjà déposées.
- — Aussi bien la vis que le tambour ne sont pas exposés à l'usure et par conséquent sont protégés par un revêtement de carbure de tungstène non sur la totalité de leur longueur, mais uniquement dans les endroits de la tête de répartition et de la zone sèche.
- — Du fait des voies de transport inférieures des matières solides, l'énergie nécessaire pour l'entraînement du tambour et de la vis est plus faible.
La poursuite du séchage des boues épaissies préparées par un procédé thermique est utile et se réalise de préférence avec des appareils à convection. Les unités à lit fluidisé, telles que celles qui ont été spécialement conçues pour le séchage des boues, conviennent de plus en plus.
En combinaison avec nos décanteurs centrifuges d'eaux d'égout et complétées par différents étages secondaires, de telles installations combinées sont des unités de production économiques et d'exécution fermée. Dans le procédé, les boues épaissies provenant des décanteuses centrifuges sont mélangées à une partie de la production de produits secs de l'installation combinée, et un granulat humide homogène est produit dans des appareils spéciaux. La déshydratation thermique a de petites valeurs résiduelles mais également le traitement hygiénique suivant dans le sécheur à lit fluidisé (à des températures d'amenée d'air jusqu’à environ 600 °C).
Les installations (d'exécution fermée) travaillent avec une légère dépression. Elles garantissent ainsi une absence de poussière et des émanations d’odeurs minimales. On obtient comme produits finis des granulés d'engrais secs de boues résiduaires, exempts de poussière, absolument hygiéniques et convenant parfaitement pour leur application. Leurs qualités et propriétés correspondent aux prescriptions des autorités sur la fabrication, le stockage et l'application et en tiennent pleinement compte.
Le degré de traitement hygiénique préférentiel des granulés secs observant le principe « plus d'entérobactériacées démontrables dans 10 g » prédestine le granulé fini produit selon le procédé ESCHER WYSS à être employé comme engrais dans l'agriculture et en conséquence pour le recyclage écologique.
Les installations de déshydratation et de séchage combinées permettent d’autre part d'exposer les granulés secs à une sollicitation thermique largement supérieure à 100 °C (par ex. : en cas de maladies, d'épidémies et d'autres cas d'urgence).
Les granulés finis sont exempts de poussière, ensilables et conditionnables dans des sacs, mais également stockables de façon illimitée dans le temps. Ils ne constituent pas de couche nourricière pour les bactéries et les salmonelles (par ex. : contrairement aux boues liquides pasteurisées). Un retraitement n'est pas nécessaire, même après un long stockage portant sur plusieurs années.
En conséquence, le problème délicat du stockage des boues pendant les périodes de non-épandage est résolu de façon rationnelle avec un volume et pour des coûts minimaux.
Les formes des granulés conviennent pour l'épandage au moyen des méthodes usuelles, telles que les machines à semer, les tubes à air comprimé, l'épandage à la main. Elles permettent également un épandage uniforme dans les régions inclinées et grâce au poids de transport réduit, dans les régions de culture éloignées.
Contrairement à la production de boues liquides, il n'existe aucun danger de pollution de l'eau quel qu'il soit, même dans le cas de conditions atmosphériques extrêmes et pas non plus des eaux souterraines.
Les produits finis des installations combinées possèdent des propriétés de décomposition idéales dans toutes les conditions climatiques. Les granulés ne se dissolvent dans l'eau que lentement, même dans le cas de longues périodes pluvieuses. Sans effets mécaniques extérieurs, ils ne se désagrègent qu’à la fin de la décomposition.
L'aménagement spécifique de différents sols en connaissant les analyses du sol et des boues, ainsi qu’un apport d’engrais complémentaire adapté (par ex. : minéral) ont permis une utilisation économiquement intéressante des parties d’engrais et nourricières, ainsi que des parties organiques contenues dans les granulés secs de boues résiduaires.
Le traitement des boues fluides dans la partie déshydratation, des boues épaissies dans la partie de séchage thermique de l'installation combinée pour obtenir le granulé fini, apporte une diminution considérable du volume et du poids.
La fig. 4 indique le poids résiduel après le prélèvement de l'eau en fonction de la teneur en produit sec finale en partant de la concentration de matières solides (par comparaison à la boue fluide initiale). L'exemple représenté indique, lors de la prédéshydratation d'une boue fluide de 3 à 25 % de matières solides, une diminution du poids à près de 12 % et, lors du séchage ultérieur à 95 % de substances sèches, un poids final d’environ 3,2 %. Cette proportion correspond par exemple à celle du poids transporté dans le cas d'un épandage agricole.
Les poids au litre des différents états du produit se présentant au cours du traitement sont :
- — Boues fluides légèrement au-dessus de 1 kg/l
- — Produits de centrifugation (centrat) 1 kg/l
- — Boues épaissies env. 1,04 kg/l
- — Granulés secs env. 0,6 kg/l
Les installations de déshydratation et de séchage combinées conviennent au traitement de toutes les boues résiduaires telles que :
- — les boues primaires, secondaires et tertiaires
- — les boues fraîches
- — les boues prétraitées de façon aérobie, anaérobie et autres
- — les mélanges de boues de différentes natures
- — les boues industrielles
Le traitement de boues fraîches est particulièrement économique. Il épargne, avec les installations de déshydratation et de séchage combinées, des volumes de stockage importants, mais également les installations et les frais du prétraitement (par exemple les processus de digestion, etc.).
Le sécheur à lit fluidisé
Le traitement thermique dans le processus de séchage a non seulement pour mission de vaporiser et de réduire la teneur en eau à des valeurs minimales, mais également d'obtenir un traitement hygiénique de l'ensemble du matériau avec tous ses composants. Le sécheur à lit fluidisé ESCHER WYSS convient tout particulièrement à cet effet. L'exposition thermique préservatrice mais néanmoins intensive du produit dans la couche de tourbillonnement, avec une température de l'air de séchage constante pendant la totalité de la durée de passage, l’adaptation de l’air chaud au temps de contact, etc., permettent un traitement optimal des produits.
Grâce à une température finale du produit présélectionnée, réglable automatiquement, son humidité résiduelle et ses propriétés hygiéniques sont garanties. Les chutes de température élevées entre l’air de séchage et le produit pendant la totalité du processus dans le sécheur à lit fluidisé permettent un traitement thermique uniforme et intensif d'une rentabilité optimale.
Le sécheur à lit fluidisé du type FR est utilisé pour le séchage des granulés de boues humides. Les unités fixes de construction compacte pour un contact direct des phases de l'air de séchage avec le produit à sécher donnent des appareils petits, mais de haut rendement, sans la moindre pièce mobile ; l’air de séchage s'écoulant verticalement du bas vers le haut passe et fluidise la couche de produit s'écoulant transversalement. L'échange de phase thermique est particulièrement préservateur et uniforme, même pour de faibles hauteurs de couches. L’air de séchage est en outre utilisé pour ameublir le produit déversé et pour apporter l'énergie calorifique nécessaire à l’air sortant faisant fonction de porteuse.
Le mélange air sortant-vapeur quitte le sécheur approximativement à la température finale du produit.
Les sécheurs à lit fluidisé type FR se caractérisent par une vaporisation particulièrement élevée de l’eau. Les valeurs de rendement spécifiques du traitement des granulés de boue se situent, par mètre carré de surface active du fond, dans un domaine d’environ 500 à 800 kg/m²/h.
Il en résulte également, pour de grandes capacités de débit par installation, de petits sécheurs présentant des pertes par rayonnement minimales. Ceci conduit aussi à des rendements élevés et à des besoins calorifiques spécifiques minimaux pour le séchage et le traitement hygiénique. En combinaison avec les possibilités de récupération de la chaleur de différente nature, d'autres économies sont possibles sur les quantités d’énergie.
Le fonctionnement à des vitesses d'air et des températures d’amenée d’air élevées pendant la totalité de la durée du séchage, ainsi que des températures de sortie d'air du produit adaptées aux exigences d’humidité résiduelle et d'hygiène, permettent de valoriser au maximum les énergies mises en œuvre et garantissent de ce fait une rentabilité optimale.
Dans les installations de déshydratation et de séchage combinées, les deux étages fonctionnent automatiquement. Si conséquemment ceux-ci peuvent être par…
Les installations automatisées, telles que le maintien des températures finales au produit à la sortie du sécheur, une alimentation constante en matériaux solides du décanteur centrifuge, une addition adaptée d’agent de floculation, permettent un fonctionnement simple et sans problèmes avec une surveillance minimale.
Les contrôles automatiques de nombreuses grandeurs d’exploitation s'étendant à la totalité de l'installation assurent, par l'intermédiaire de verrouillages en cascade, une grande fiabilité et, par les signalisations correspondantes, une surveillance aisée. Les installations de déshydratation et de séchage combinées compactes sont des installations de faible encombrement et permettent des investissements et des coûts d’exploitation avantageux.
COÛTS
Les conditions locales, le prix variable des combustibles, de l'énergie électrique, etc., influencent les coûts de fabrication correspondants (fig. 8). Le prix de revient varie également en fonction du degré de prédéshydratation et, en conséquence, des qualités des boues fluides utilisées qui, entre autres, sont à nouveau influencées par la charge de polluants des eaux d'égout entrant dans l'installation de clarification (fig. 9).
Une comparaison du prix de revient des granulés secs d’engrais à base de boue de clarification avec ceux de la pasteurisation et de l’épandage des boues fluides est instructive. Les coûts spécifiques du traitement préalable, de la pasteurisation et de l’épandage (sans les frais de stockage) sont portés dans la comparaison, au total à 20 FS/m³ et se situent en conséquence plutôt en dessous des valeurs moyennes actuelles.
Les frais de pasteurisation et d’épandage liquide par tonne de matériau sec sont indiqués dans la figure 10 en fonction de la teneur en matériaux solides pour un prix spécifique au mètre cube de 20 FS.
À titre de comparaison, le prix de revient des granulés secs d’engrais à base de boue de clarification d’une installation combinée est reproduit dans la figure 8.
Dans cet exemple caractéristique d'une boue organique déshydratable et d’une dimension d’installation moyenne, il s’avère qu’un équilibre existait entre le coût de fabrication des granulés secs et ceux de la boue organique pasteurisée si la teneur en matières solides des boues se situait à environ 8,5 % en poids. Mais les valeurs expérimentales de nombreuses régions montrent que ces concentrations de matières solides se situent presque exclusivement dans un domaine compris entre 3 et 6 % en poids. Des valeurs supérieures, même dans le cas de boues organiques, constituent des exceptions (les valeurs moyennes suisses se situent aujourd'hui à 4,5 %).
Le coût total de la fabrication des granulés secs de boues résiduaires est bien plus avantageux que celui de la pasteurisation et de l’épandage de boues fluides dans les champs.
De nombreux calculs et comparaisons de prix de revient établis en collaboration avec des spécialistes en matière d'installations d’épuration des eaux confirment clairement que la fabrication de granulés secs d’engrais à base de boues résiduaires est plus économique que l’épandage de boues fluides pasteurisées.
Si l'on tient compte dans les coûts de fabrication des granulés secs de la possibilité de vente du produit sec (env. 80-100 FS/t), on obtient un autre avantage important en faveur des granulés secs. D’autre part, si l'on considère tous les avantages et toutes les sécurités de la fabrication, du stockage, du transport, de la distribution et de la composition, les installations combinées ESCHER WYSS, avec leurs granulés secs, apportent des solutions rationnelles mais également économiques dans l’esprit du recyclage et de la préservation de notre environnement.
H. ZURRER — J. OERTLE.
Haut degré d’épaississement obtenu sur des boues floculées à base d’hydroxydes ferriques dans l’association combinée du séparateur lamellaire et de l’épaississeur †
par Dr Ing. Günter von HAGEL PASSAVANT-WERKE : MICHELBACHER HÜTTE D-6209 Aarbergen 7 (R.F.A) et Kelvin ROBERTS M.A., Dr. Phil. The Swedish Institute for Surface Chemistry, Stockholm (Suède)
Article paru en langue allemande dans la revue G.W.F. WASSER & ABWASSER – F. 377. Traduction et communication par la NSG FRANCE, avec l’autorisation des auteurs et de la revue G.W.F. WASSER & ABWASSER.
Lorsque le traitement des eaux de surface en vue d’obtenir de l’eau d’alimentation ou de l’eau à usage industriel doit comporter un prétraitement par floculation et sédimentation, il faut aujourd’hui obligatoirement inclure dans le projet un traitement des boues approprié aux conditions de travail. Mais comme, en raison des autres stades du traitement de l'eau, ce sont précisément ce premier et ce dernier point du processus qui exigent les investissements et les coûts de fonctionnement les plus élevés.
Devant l’impossibilité d'améliorer de façon significative le procédé d’installation, devant la nécessité d’appliquer des solutions nouvelles aux méthodes de traitement des boues également dans le traitement de l’eau, il a été publié au cours des dernières années un certain nombre de travaux et d’exposés qui peuvent servir à l’étude de ces problèmes (1 & 5).
Pour la sédimentation des impuretés floculées des eaux de surface, des dispositifs lamellaires, de fonctionnement continu, remplacent aujourd'hui les équipements encombrants que constituaient les bassins de sédimentation, à condition d’utiliser des stades préliminaires appropriés de floculation. Toutefois, le problème du traitement des boues de floculation provenant du traitement de l'eau n'est pas influencé dans le sens positif par la modification de la technique de sédimentation, mais plutôt dans le sens négatif.
La boue qui prend naissance dans le traitement des eaux par floculation à l’aide de sels métalliques hydrolysables dans des installations conventionnelles a généralement une concentration relativement faible en matières solides et se prête mal à la déshydratation. Rapporté au débit de l’installation de floculation, son volume élevé, après épaississement statique, est encore élevé.
C’est la raison pour laquelle l’élimination des boues — qui résulte jusqu’à présent des coûts d’investissement à un niveau élevé des frais de l’épuration de l’eau par floculation et sédimentation, et qui peuvent même les dépasser dans certains cas. De même, le traitement de déshydratation de grandes quantités de boues, qui proviennent de l’utilisation de produits chimiques et de la consommation d’énergie, se situe généralement au même niveau que pour les produits chimiques et pour l'énergie consommée dans une installation de floculation et de sédimentation.
La présente étude décrit un procédé qui associe le processus de sédimentation à la déshydratation finale possible de boues floculées à base d'hydroxydes ferriques.
