L'utilisation croissante de l'eau dans l'industrie pose, en particulier, le problème des économies de consommation et, en corollaire, celui de l'élimination des matières en suspension contenues dans les eaux rejetées.
Depuis de nombreuses années, les industriels ont été sensibilisés par ces questions et dans de nombreuses exploitations, ils se sont trouvés face à la nécessité de régénérer l'eau et d'assurer le stockage et l'évacuation des boues et stériles issus de la clarification.
Dans certaines industries, les bassins de décantation à bras raclés et les bassins de stockage, formés par des digues ou barrages y ont pourvu.
Toutefois, la concentration des boues et leur stockage est souvent, pour certains utilisateurs, un problème insoluble avec les solutions classiques du fait des conditions économiques ou d'environnement, disposition des lieux ou exigüité du site.
Pour répondre à ces difficultés, des études ont été entreprises pour rechercher de nouvelles solutions pour le compactage, le stockage et la manutention des boues.
C'est ainsi que la connaissance de plus en plus approfondie des lois hydrauliques qui régissent le système biphasique liquide-solide, tant pour le transport que pour la sédimentation des matières fines en milieu libre ou entravé a permis la mise au point de nouveaux procédés de séparation. D'autre part, l'arrivée des nouveaux floculants sur le marché et leur utilisation rationnelle a permis d'accélérer fortement la sédimentation naturelle des matières très fines et la clarification des eaux ; la meilleure connaissance des phénomènes de floculation et de la structuration mécanique des flocons permet maintenant d'atteindre un niveau de déshydratation des boues suffisant pour permettre de répondre à de nombreux problèmes industriels.
Ainsi sont nés des matériels mettant en œuvre de nouvelles techniques de clarification des eaux industrielles, de déshydratation et de stockage des boues. Nous passerons en revue les solutions que nous avons apportées dans ces domaines, à savoir :
- — le Clariflux, clarificateur rapide à lit de boue fluidisé ;
- — le procédé Taster M de compactage des boues ;
- — le procédé Taster F-U de pressage-essorage des boues.
Nous ferons ensuite état de quelques réalisations industrielles.
LE CLARIFICATEUR RAPIDE CLARIFLUX À LIT DE BOUE FLUIDISÉ
La figure 1 montre le schéma hydraulique d'un clarificateur à lit de boue de type statique.
L'appareil comprend trois étages possédant chacun une fonction particulière : le floculateur, le clarificateur primaire à lit fluidisé, le concentrateur.
L'eau à clarifier arrive dans le floculateur. Dans la conduite d'amenée, une certaine dose de floculant a été mélangée au liquide chargé de façon à déclencher la floculation primaire qui se poursuivra dans le floculateur. Une nouvelle dose de floculant est introduite à l'entrée du floculateur pour amorcer la floculation secondaire qui provoquera le grossissement des flocons. La mixture ainsi préparée présente un aspect très différent du liquide chargé initial. Elle est alors introduite à la base du lit fluidisé de forme prismatique conique par une fente circulaire.
Les flocons, à l'entrée du lit de boue, sont légers et certains de faibles dimensions. Ils rencontrent l'écran de flocons lourds et gros qui constituent le lit fluidisé ; ces flocons, qui forment un filtre mobile et renouvelable, piègent avec efficacité les flocons fins qui le traversent. La présence de ce filtre permet ainsi d'obtenir des vitesses de passage rapide de l'eau à clarifier. L'eau clarifiée primaire remonte par la partie cylindrique du clarificateur et déborde en haut par un déversoir à créneaux.
Les flocons gros et lourds qui sortent par débordement du lit de boue descendent par un couloir
conique vers le concentrateur placé au-dessous ; entraînés avec un certain débit d’eau clarifiée se déposent dans le fond conique du concentrateur ; par effet de tassement, ils libèrent de l'eau claire qui est évacuée au sommet du concentrateur par un dispositif en couronne équipé de buses.
Les boues concentrées s'écoulent par gravité dans le fond du cône pour être extraites à un débit préréglé, afin de maintenir dans le concentrateur une hauteur de boue déterminée.
La figure 2 présente le schéma hydraulique d’un clarificateur à lit fluidisé avec bras racleur, tel qu’il est réalisé dans des diamètres de 10 m et plus.
Le principe reste identique dans son ensemble : floculation, clarification, décantation. Pour des raisons constructives, le floculateur n’est plus central mais annulaire comme le lit de boue.
Le concentrateur présente un fond pratiquement plat ressemblant à celui d’un décanteur à fond raclé classique ; en fait, le mouvement des boues y est inversé par rapport à celui-ci, puisqu’elles sont déversées à la périphérie du concentrateur au lieu de l’être au centre, ce qui favorise leur concentration en augmentant le temps de séjour et le nombre de mouvements (très lents) qu'elles subissent en libérant à chaque fois un peu d’eau.
LE PROCÉDÉ TASSTER M DE COMPACTAGE DES BOUES
Grâce à la floculation étagée, il est maintenant possible d’obtenir dans les décanteurs à lit de boue des flocons solides et de grande taille ; la structure physique des boues permet en effet de pousser encore davantage la floculation et d’obtenir des masses de boue compacte pouvant supporter une action mécanique de compactage. C’est grâce à la possibilité d’obtenir ce nouvel état physique que nous avons pu mettre au point un nouveau procédé de compactage des boues par le Tasster M, ultraconcentrateur qui utilise comme seuls procédés la floculation, la gravité et le mouvement des boues pour libérer de l’eau, les produisant avec un effet de compression dans sa partie basse.
Principe du traitement
La figure 3 montre une vue extérieure de l’appareil, constitué essentiellement par un cylindre à fond conique qui comporte un arbre vertical supportant un ensemble de pales à vitesse de rotation très faible (0,1 à 1 t/mn suivant la taille de l’appareil).
Deux jeux de pales et contre-pales placés dans l’appareil permettent de parfaire le compactage des masses de flocons avant leur arrivée dans la partie conique en leur imprimant une vitesse qui demeure inférieure à la vitesse de cisaillement des flocons. Sous l'effet de l’action mécanique des pales, ces derniers se rapprochent les uns des autres et laissent échapper leur eau interstitielle. La boue solidifiée est maintenue au niveau de la pale de compactage supérieure.
La partie conique est équipée d’un dispositif formant vis conique qui assure le raclage des boues devenues pâteuses et une poussée mécanique vers l’orifice d’extraction placé à la partie inférieure du cône, ce qui permet de parfaire le tassement amorcé dans la partie cylindrique et d’extraire les boues compactées. Celles-ci sont extraites par une pompe volumétrique sous forme pâteuse ou pseudo-solide.
La pompe volumétrique est asservie au niveau de la boue extraite par intermittence, suivant un programme choisi de façon à maintenir impérativement ce niveau entre les maximum et minimum déterminés.
Performances
Les performances de l’appareil Tasster M et de ses dérivés (F ou U) sont beaucoup plus fonction de la nature des minéraux fins décantés que celles du Clariflux ; de très grandes variations existent suivant qu’il s’agit d’argile, de calcaire, de charbon, de marnes, etc.
L’appareil est employé au compactage de la boue provenant des Clariflux pour une concentration comprise entre 10 et 30 % (en poids/poids).
Dans le domaine des industries minérales, le débit de boue traité est de l’ordre de 10 m³/heure au m² de surface si le débit de boue compactée à extraire n’excède pas 2 tonnes/heure au m², ce qui correspond à des argiles moyennes pour lesquelles on obtient couramment des concentrations de sorties de 800 à 1 100 g/l.
La concentration des boues compactées obtenue est surtout fonction de la nature géologique des matières solides qu’elles contiennent : avec des argiles silico-calcaires, ou des schistes et calcaires fins issus d’un broyage, la concentration en solides peut atteindre 60 à 65 % en poids/poids ; avec des schlamms de charbon, cette concentration est voisine de 50 %. Elle est de 30 à 40 % pour des schlamms issus de lavage de phosphates. En fait, la concentration atteinte est surtout fonction des caractères rhéologiques des boues compactées ; le taux de cisaillement de la boue croît de façon très importante lorsque la boue passe de la forme plastique à la forme pseudo-solide.
L’appareil peut, en fait, produire dans certains cas des boues pseudo-solides mais qui ne sont plus pompables ; aussi ne sont-elles extraites que lorsque le taux de cisaillement est compris entre 1 000 et 3 000 dynes/cm², taux limite de pompage des pompes volumétriques permettant une mise en stock économique.
La consommation totale du floculant utilisé pour la clarification de l’eau et le compactage des boues est comprise entre 150 et 200 grammes à la tonne de matières sèches.
La consommation d’énergie, soit 0,6 kW à la tonne, est très faible. L’entretien du matériel se limite à celui de la pompe d’extraction des boues.
LE STOCKAGE DES BOUES COMPACTÉES PAR LE TASSTER M HORS D’EAU
L’aspect physique des boues obtenues par le procédé décrit se présente sous forme pâteuse. Du fait de leur plasticité, ces boues offrent la possibilité de s’étendre lentement sur les aires d’épandage comme la lave à la sortie d’un volcan.
Des observations effectuées sur des sites industriels ont montré que sur des terrains à faible pente (de l’ordre de 1 %) les boues s’écoulent en formant un talus de 5 à 10 % de pente.
À partir du point de rejet, la boue divague sur son cône de déjection et avance sur la ligne de plus grande pente. Dans la zone d’épandage, où elle reste statique du fait de son comportement hydrophobe, elle se craquèle et relâche rapidement de l’eau claire qui s’écoule rapidement sur le terrain pour être évacuée. Des boues ainsi étendues avec une humidité de 40 % passent à 25 % en l’espace de quelques jours.
LE COMPACTAGE ET LE PRESSAGE DES BOUES PAR LE PROCÉDÉ TASSTER F – TASSTER U
Le compactage de la déshydratation mécanique par le compacteur Tasster M représente une étape importante de la chaîne d’élimination ou de récupération-recyclage des boues de l’industrie ou des collectivités locales.
Nous avons vu que ce procédé de compostage est particulièrement adapté aux gros débits, la boue nécessitant un épandage hydraulique dans les cas où le transport et le stockage à l’état pâteux sont intéressants. Lorsque les volumes concernés sont plus faibles ou que la déshydratation à l’état de mottes pelletables n’est pas d’un coût prohibitif, il est judicieux d’obtenir en une seule étape de la boue qui peut être manipulée et transportée par des moyens mécaniques classiques : bandes transporteuses, pelleteuses, camions ou bennes, et cela au moyen d’un nouvel appareil, appelé Tasster F ou Tasster U (selon les mécanismes de pressage mis en jeu) qui est identique au précédent quant aux dispositifs permettant de déshydrater la boue. Il comporte, en particulier à sa base, un dispositif de pressage-essorage qui transforme la boue en mottes compactes.
La pompe volumétrique est remplacée par un système vis-grille. La vis d’extraction refoule la boue pâteuse dans une chambre de pressage équipée d’une grille d’essorage statique ; sous cet effet mécanique, on constate l’extrusion au travers de la grille de l’eau contenue dans la boue, et celle-ci passe alors de l’état pâteux à celui des mottes compactes qui peuvent ensuite être mises en tas.
Cette dernière phase du traitement n’est évidemment possible que si les caractéristiques de la boue introduite dans la chambre de pressage présentent certaines propriétés de filtrabilité et de résistance mécanique.
Les missions assignées à cette étape du traitement en Tasster F ou U diffèrent selon le schéma du traitement adopté qui peut comporter l’un ou l’autre des procédés ci-après :
- - clarification de l’eau, en vue de son recyclage et de l’extraction des matières sous forme pelletable pour évacuation ;
- - déshydratation mécanique des matières à un niveau de siccité leur conférant un PCI suffisant pour incinération directe sans adjonction de fuel ;
- - déshydratation mécanique des matières en vue de leur stockage dans des conditions permettant
leur conservation en vue de leur recyclage et de leur valorisation.
Dans tous les cas, l'intérêt du procédé Tasster réside dans sa simplicité de mise en œuvre qui en fait un appareil à marche continue ou discontinue nécessitant un minimum d’opérations d’exploitation et d’entretien.
Le Tasster F
Cet appareil est adapté aux boues à moyenne ou forte filtrabilité présentant des résistances mécaniques élevées. Telles sont par exemple les boues contenant des matières fibreuses en proportion plus ou moins importante.
L’ensemble de pressage est alors conçu pour exercer des pressions de plusieurs bars sur la boue en essorage.
Le Tasster U
Lorsque la filtrabilité et la résistance mécanique sont conférées à la boue par la seule floculation ou par une adjonction minimale de produits fibreux, le pressage doit être ménagé et les pressions exercées ne peuvent bien souvent dépasser 0,5 bar. La filtrabilité peut alors être assez faible. Dans le Tasster U, l'ensemble de pressage est alors conçu de façon plus légère et il est en général nécessaire de prévoir un système de raclage de la grille solidaire de la vis.
Dans les deux cas, la conception de l’ensemble conduit à une exploitation très simple du système : pas de colmatage de la grille, autorégulation du débit de sortie dans certains cas, fonctionnement continu.
L'appareil comporte deux étages de traitement (figure 5) :
- - une cuve tronconique où, comme dans un Tasster M, la boue floculée est remaniée et compactée par un système tournant vertical. L'eau claire est recueillie à la surverse. Cette étape du traitement est très importante, car elle confère aux flocs les caractéristiques de filtrabilité et de résistance mécanique permettant leur pressage dans la deuxième étape ;
- - un système vis-grille situé à la base du cône et comportant successivement :
- ● une zone d’encavage de la chambre de pressage,
- ● une zone de filtration où la boue reste pâteuse et subit peu de contraintes mécaniques du fait de la vis,
- ● une zone de pressage entre vis et grille. La boue est poussée vers un cône ou vers un clapet, taré par des contrepoids ou un servomoteur pneumatique. Ce clapet exercera une contre-pression réversible ; son ouverture s’adapte automatiquement au débit de matière solide ; à la mise en route, il assure l’étanchéité du système.
L'eau filtrant au travers de la grille est plus ou moins polluée en matières en suspension ; elle peut être soit rejetée, soit recyclée dans le Tasster lui-même ou en amont de l'installation. La grille ne se colmate pas. La vitesse de rotation de la vis est faible : 1 à 10 tours par minute.
Dans la partie aval du Tasster F, la grille subit des contraintes importantes, et elle est généralement renforcée. La mécanique globale est adaptée aux efforts mis en jeu, ainsi que les dispositifs de sécurité protégeant le matériel.
Sur les installations traitant des produits abrasifs (fibres de verre, céramique, amiante, etc.) des combinaisons de métaux ou de traitement durs sont utilisés et des pièces d’usure à remplacement rapide sont prévues.
Dans son principe, le Tasster U est analogue au Tasster F. Les principales différences portent seulement sur la conception du système de pressage (réalisé en éléments beaucoup plus légers) et sur l’existence d'un dispositif de raclage de grille sous la forme d’un joint amovible fixé à la vis.
Dans l'exploitation de cet appareil, les conditions de floculation jouent un rôle encore plus important que dans le cas du Tasster M ; en effet, les boues concernées ne présentent pas par elles-mêmes de
caractères de filtrabilité ou de résistance mécanique, et une attention toute particulière doit être apportée aux conditions d’injection du ou des floculants. Sous cette réserve, le traitement s’applique aussi bien à des boues épaissies qu’à des boues soutirées directement du décanteur.
DES APPLICATIONS INDUSTRIELLES
Parmi les nombreuses applications de ces procédés, nous en citerons quelques-unes, sans parler par exemple des essais de séparation des terres végétales issues de l’eau de lavage de produits agricoles, tels que : betteraves, pommes de terre et autres racines qui ont montré leur facilité d’adaptation à ces techniques.
Industries extractives et minières
- — Préparation de calcaire industriel.
La laverie de cette installation traite 350 tonnes/heure de calcaire et doit évacuer 50 à 60 tonnes/heure d’argile et de fines silico-calcaires issues du traitement. Le débit de lavage est de 1 400 m³/h.
Elle est équipée de 2 Clariflux Ø 6,5 m pour la clarification des eaux. Les boues issues de la clarification des eaux de la laverie sont pompées et refoulées en conduite jusqu’à la station de compactage des boues. La concentration est de l’ordre de 30 % en poids/poids et le débit journalier de l’ordre de 1 000 m³.
La station de compactage comprend 5 Tasster de 2,80 m de diamètre.
- — Récupération d’eau dans une laverie de phosphate.
Cette laverie de phosphate, récemment mise en service en Tunisie, traite 284 t/h de minerai brut pour produire 231 t/h de concentré. L’eau de lavage sortant de la laverie et contenant 43 t/h d’argile représente un débit de 1 728 m³/h, ce qui pose un problème dans ce pays aride.
Or, la décantation des argiles issues du lavage dans les décanteurs classiques ne permet pas d’obtenir de concentrations excédant 100 g/l. Le débit d’eau évacuée avec les boues est ainsi de l’ordre de 1,5 m³ à la tonne de phosphate traité, alors qu’une installation Clariflux suivie d’une station Tasster a permis de réduire cette consommation à 0,4 m³.
Les deux Clariflux de Ø 10 m récupèrent 1 474 m³/h d’eau et en laissent 254 m³/h dans les boues ; les 4 Tassters Ø 5 m récupèrent à nouveau 142 m³/h pour n’en laisser plus que 112 m³/h dans les 43 t/h d’argile.
La consommation d’eau ressort donc à 0,4 m³ d’eau par tonne, ce qui correspond à une récupération de 93,52 % du volume d’eau utilisée.
- — Classification des eaux d’un lavoir de charbon avec récupération de schlamms.
Cette installation de traitement des eaux a été réalisée pour récupérer l’eau et les schlamms fins issus du lavage du charbon pur. Elle comporte trois étages successifs :
- • un cyclonage-essorage récupérant les grains supérieurs à 80 microns ;
- • un clarificateur Clariflux, pour la récupération de l’eau ;
- • un ensemble de Tassters pour le compactage des schlamms fins.
L’étage de clarification comprend un Clariflux Ø 6,5 m et une station de préparation de floculant automatique à bac alterné. Le débit moyen est de 500 m³/h et le débit maximum de 650 m³/h. Le débit moyen traité est de 40 à 60 t/h en 0-10 mm, dont 3 à 15 t/h de schlamms fins (de dimension inférieure à 80 microns) à récupérer. Le débit d’extraction de boue est compris entre 20 et 75 m³/h. La consommation de floculant est de 1,5 à 2 g/m³.
La station Tasster de compactage des schlamms fins est composée de 5 appareils Tasster Ø 1,8 m. Le tonnage maximum de fines 0-80 microns récupéré est de 15 t/h et la consommation de floculant est de 400 g par tonne de charbon sec. Les boues de charbon sont transportées au lieu de stockage final par camion.
Industrie chimique
Les nombreux exemples d’utilisation dans l’industrie chimique intéressent des effluents variés, notamment :
- — traitement d’eau silicatée après lavage de filtre ;
- — lavage des fumées et récupération d’engrais ;
- — clarification de saumure ;
- — clarification d’eau chargée en carbone ;
- — clarification acide phosphorique ;
- — séparation de sulfate de calcium dans des eaux de process d’usine.
L’une des applications (qui intéresse de nombreuses industries utilisant des eaux de surface) concerne la décarbonatation des eaux industrielles et l’évacuation des boues carbonatées qu’elles contiennent.
Une telle installation qui a été réalisée pour P.C.U.K. à Fos-sur-Mer, est équipée d’un Tasster MT 28. Elle traite 500 kg/h de boue.
Le Tasster U peut également être utilisé pour la déshydratation des boues de décarbonatation. La cen
La centrale E.D.F. de Cruas a aussi été équipée de deux appareils TU 33-220 susceptibles de traiter 200 kg/h de matières sèches sortant à 45 % de concentration.
Industrie papetière
— Récupération de fibres papetières.
Le schéma-type de ces installations comprend la clarification des eaux de fabrication et le compactage des boues de décantation. Lorsque cela est possible, le recyclage peut être effectué directement à partir de la boue épaissie.
Lorsque les fabrications ne le permettent pas, il est alors nécessaire de conserver les matières sous forme de mottes (contenant moins de 50 % d’eau pour éviter les fermentations). Les matières sont ensuite réintroduites pour éviter les fermentations.
— Traitement des effluents
Caractéristiques de l’effluent traité : débit moyen : 1 050 m³/h ; concentration moyenne : 800 mg/litre de M.E.S.
Les principaux équipements comprennent un décanteur Clariflux raclé de 25 m de diamètre, avec bassin central de stockage des boues et trois essoreuses de boues « Tasster F » 370-29 produisant 400 kg/h de matières sèches. La siccité des boues essorées est en moyenne de 50 %.
Industrie agro-alimentaire
Plusieurs installations ont été réalisées dans cette industrie avec des débits en M.S. de 25 à 150 kg/h ; ce qui frappe alors est la simplicité du procédé utilisé, soit de manière continue sans surveillance, soit de façon discontinue, avec des délais courts de remise en route et d’arrêt.
On traite ainsi notamment des effluents très divers, contenant soit des boues biologiques, soit des boues fraîches mixtes de flottation (primaires et biologiques), soit des mélanges de fibres et de boues organiques, ou encore ceux d’usines d’alginate ou ceux produits par les féculeries et les laiteries. Il faut noter que ces derniers, passant dans une installation biologique, fournissent une boue particulièrement difficile à compacter ; les appareils Tasster U placés dans ces usines y produisent de 50 à 100 kg/h de matières sèches d’une siccité qui est de l’ordre de 9 à 12 %.
CONCLUSION
Les appareils et techniques brevetés, présentés dans cet exposé, recouvrent tout le domaine de la décantation et de l’épaississement des boues. La particularité du décanteur Clariflux est d’offrir une surface de décantation de cinq à dix fois inférieure à celle des appareils traditionnels. Les concentrateurs Tasster, quant à eux, permettent d’obtenir un épaississement final de deux à trois fois supérieur à ceux obtenus dans les meilleurs épaississeurs.
L’emploi de ces appareils est à préconiser dans les cas suivants :
- — lorsque l’on veut diminuer la surface des décanteurs ;
- — lorsque l’on veut diminuer la consommation d’eau en augmentant le pourcentage de l’eau recyclée ;
- — lorsque l’on veut, sans avoir recours à la filtration, réduire très sensiblement le volume des boues à l’état solide, et pouvoir le cas échéant les mentionner.
Les procédés en cause sont simples, fiables, économiques, faciles d’exploitation et ils ont acquis la maturité industrielle qui leur permet de résoudre les nombreux problèmes posés aux industries utilisatrices de l’eau. L’étude économique des solutions doit être effectuée au préalable, compte tenu d’éléments essentiels dont la valeur est très variable d’un cas à l’autre ; ce sont notamment :
- — le coût des floculants consommés ;
- — le prix de l’eau industrielle ;
- — le prix du terrain de stockage des boues ;
- — le coût d’évacuation des boues déshydratées.
S’il s’avère que l’utilisation du Clariflux peut améliorer l’économie de la clarification des eaux, l’adoption du Tasster s’imposera aux industriels après une étude économique, particulièrement dans le cas où le prix de l’eau est élevé ou qu’elle est disponible en quantité trop limitée, quand le volume affecté au stockage des boues est insuffisant ou qu’il nécessite des investissements trop importants.
