La flottation des boues : un avenir assuré

Nous examinerons les raisons principales qui nous poussent de plus en plus à reconsidérer cette filière et nous donnerons ensuite quelques exemples de réalisations industrielles récentes.

I. – L’épaississement statique a ses limites

Cette constatation est d’ailleurs absolument indépendante des techniques mises en œuvre. Les traitements modernes d’épuration font appel à des procédés de plus en plus élaborés et cela dans plusieurs domaines :

Stations d’eaux résiduaires urbaines

Les bassins biologiques ont des rendements tout à fait acceptables et produisent des quantités de boues biologiques non négligeables, d’autant plus que les réseaux urbains s’enrichissent en pollution colloïdale, difficilement décantable parfois. En cette dernière décennie, la nature des boues fraîches mixtes obtenues a ainsi changé, si bien que l’épaississeur classique donne des résultats souvent décevants. C’est ainsi que des valeurs de boues fraîches mixtes épaissies de 35 à 45 g MS/l sont maintenant tout à fait habituelles : les boues organiques colloïdales et hydrophiles prennent le dessus sur les lourdes boues primaires. Les traitements tertiaires amènent également leur lot de boues légères d’hydroxydes.

Station d’eau potable (ou d’eau industrielle)

La nécessité de traiter les boues d’eau potable est un besoin récent. Nous nous sommes très vite aperçus que la majorité de ces boues étaient à tendance hydrophile très marquée (pourcentage très important d’hydroxydes d’aluminium ou ferrique). Les épaississeurs statiques installés sont généralement plus importants que le traitement d’eau lui-même car les charges admissibles dépassent rarement les 20 kg MS/m²/jour et souvent pour un maigre résultat : celui des boues épaissies à 10-20 g MS/l (limite de fonctionnement pour les appareils de déshydratation).

Stations d’eaux résiduaires industrielles organiques

La pollution soluble de ces eaux fait que les natures de boues produites sont généralement purement biologiques, donc difficiles à épaissir.

Stations d’eaux huileuses

Ici la flottation s’impose d’elle-même…

Or la concentration des boues est un facteur déterminant pour le coût des investissements et le coût d’exploitation des ateliers de traitement des boues ; le tableau 1 schématise dans ses grandes lignes l’intérêt d’un épaississement poussé par flottation. C’est une technique qui peut également trouver parfaitement place dans une station existante lorsqu’on envisage des amé—

Améliorations de traitement ; ceci est particulièrement vrai dans une station urbaine et pour plusieurs raisons :

1. Séparation des circuits boues primaires et boues biologiques en excès qui sont généralement renvoyées en tête des décanteurs primaires. Ces derniers sont donc de ce fait soulagés en charge et il en est généralement de même pour le traitement biologique.

2. Amélioration des performances des digesteurs anaérobies : moins de chauffage du fait du volume réduit de boue fraîche et production supplémentaire de gaz. Le digesteur, s'il est convenablement brassé, assure lui-même le rôle d'homogénéisation des boues primaires et des boues en excès.

En parallèle avec la flottation, l’adjonction d’un épaississeur statique sur les seules boues primaires trouve alors toute sa justification pour les facilités d’exploitation et les performances obtenues alors : 80 à 100 g MS/l pour une charge de 100 kg MS/m²/jour.

3. Amélioration des performances de tous les appareils de déshydratation, essentiellement les capacités massiques, et accessoirement les gains en agents de conditionnement.

Il n'est pas rare de trouver actuellement des boues digérées très peu concentrées (20 à 30 g MS/l) : ce sont des concentrations limites pour un fonctionnement rationnel de l'atelier de déshydratation. Chacun sait aussi maintenant que l'épaississement statique d'une boue digérée mixte reste aléatoire ; les exemples sont très nombreux en France et à l'étranger pour le prouver.

En cas de conditionnement thermique des boues, point n'est besoin de rappeler la nécessité de débits hydrauliques minimaux pour les dépenses d’énergie et le coût d’investissement.

C'est ainsi qu’après Genève-Aire (1978), d'autres villes européennes se sont équipées ou s'équipent de flottateurs Sediflotazur pour améliorer le fonctionnement de leur station. Citons quelques exemples : Chartres, Alençon, Besançon en France, Baden et Kiasso en Suisse, Granby (2 Ø 7 m) au Canada. Des stations nouvelles ont par contre tout de suite incorporé la flottation dans leurs équipements : Sao Paulo (6 Ø 14 m) au Brésil, Mulhouse en France, Vittoria-Burgos-Madrid en Espagne, Savona et Scrivia en Italie, soit en tout plus de 25 appareils sur boues biologiques pendant ces trois dernières années (en excluant nos installations américaines plus anciennes).

En ce qui concerne les stations qui produisent des boues d’hydroxydes, l’épaississement par flottation est parfois très judicieux sur certaines boues très difficiles et très légères. Nous en donnons un exemple dans le tableau 2 avec une étude-projet pour la station d'eau potable de Dunkerque.

II. — FIABILITÉ D’EXPLOITATION DE LA FLOTTATION

C'est l'autre raison principale de la recrudescence de ce procédé : sûreté technologique, simplicité d’exploitation, degré d’épaississement correspondant aux besoins et cela, dans la très grande majorité des cas, sur boues biologiques, sans apport supplémentaire d’agents de conditionnement.

Sûreté technologique

Nous n’abordons pas ici les caractéristiques de base de nos flottateurs, avec notamment tout le soin apporté au système de détente du fluide (eau ou boue) pressurisé, à l'organe de mélange entre les flocs et les bulles d’air, au système de raclage des boues flottées, etc. Tout ceci a été décrit en détail par notre collègue Pierre Mouchet dans les récents numéros de septembre et octobre 1983 de cette revue. Il est évident que ces notions sont fondamentales en flottation : savoir faire des bulles inférieures à 100 μ, savoir évacuer les boues flottées sans perturber exagérément le lit de boue, savoir clarifier suffisamment l’effluent sous-nageant.

Nous nous pencherons ici plus spécialement sur les paramètres d'exploitation du Sediflotazur et tirerons des enseignements, parfois nouveaux, de toutes nos installations industrielles et de tous nos nombreux essais sur pilote.

Paramètres importants d’exploitation

L'objectif principal est bien entendu l'obtention de siccités maximales dans les boues flottées. Nos essais avec un pilote semi-industriel de 2,5 m² ainsi que ceux sur les appareils industriels, nous ont permis de cerner plusieurs paramètres intéressants, d'une part pour la prédiction des performances et, d’autre part, pour le choix du système de pressurisation, ce que nous examinerons ci-après.

Qualité des boues

• - L’indice de Mohiman a son importance, comme l’ont démontré de nombreuses publications, mais ce n’est absolument pas l’unique responsable des bonnes ou mauvaises performances obtenues. Néanmoins, la tendance est là : les boues biologiques ayant les plus faibles IM sont celles qui généralement donnent les meilleurs résultats. Nous en donnons un exemple avec Genève (figure 1) et nous pouvons remarquer que cette tendance est assez souvent vérifiée par des IM inférieurs à 130-150 ; au-delà, il est souvent plus difficile de se prononcer.
• - La concentration des boues à l’alimentation est souvent aussi un paramètre déterminant. Elle fixe les taux de recyclage d’eau pressurisée (en pressurisation indirecte) (figure 2). Il a été de nombreuses fois vérifié que des concentrations faibles favorisaient la flottation. Par exemple, en système indirect, il est toujours très difficile d’avoir de bonnes performances lorsque les concentrations sont trop fortes (supérieures à 5 g MS/l environ) ; il faut alors employer du polymère et des taux de recyclage élevés (entre 100 et 200 %).

Type de pressurisation

1. Le système indirect : c’est le plus connu et le plus employé (figure 3) ; il a pourtant ses limites et ses inconvénients que nous résumons comme suit :

• - obligation de fixer une proportionnalité entre le débit de boue et le débit d’eau pressurisée. Cette proportionnalité se situe dans une fourchette assez large mais néanmoins cela peut poser des problèmes lorsque les concentrations de boues varient beaucoup trop à l’alimentation,
• - obligation d’utiliser des polymères (tout au moins pour obtenir des siccités suffisantes) sur des boues à fort indice de Mohiman ou à fortes concentrations,
• - siccités acceptables mais parfois trop faibles.

C’est un bon procédé à utiliser, à condition que les concentrations de boues entrantes soient faibles et stables.

2. Le système direct : c’est le plus simple en exploitation car aucun réglage n’est à effectuer ; c’est la

La boue qui est elle-même pressurisée présente de nombreux avantages :

• - siccités maximales (figure 4) dans la majorité des cas ;
• - sûreté des performances sans polyélectrolyte ;
• - débits massiques élevés (6 à 9 kg MS/m²/h) ;
• - en exploitation, possibilité d’avoir des performances stables, même si la qualité des boues est variable au niveau de l’alimentation ; somme toute, c’est l’une des qualités premières que l’on demande à un système d’épaississement.

Le sous-nageant est un peu plus chargé en système direct (100 à 300 mg MES/l) qu’en système indirect (50-150 mg MES/l), ce qui s’explique aisément. Il est évident que la technologie de l’appareil (pressurisation et détente) doit permettre sans ennui cette pressurisation des boues elles-mêmes. Le Sediflotazur, par la simplicité de ses circuits, est tout à fait étudié pour cette éventualité et nos expériences industrielles sont là pour le démontrer (Chartres, Baden, Alençon...). La flottation directe, de par ses qualités essentielles — simplicité et régularité d’exploitation, et siccité maximale obtenue — demande donc dorénavant à être plus sérieusement considérée.

Floculation

Elle est indispensable pour les boues d’hydroxydes, et le choix du polymère sera alors cationique. La cationicité permet en effet un meilleur accrochage des bulles. La rencontre des trois fluides : bulles d’air – MES – polymère, est tout particulièrement soignée.

Pour traiter une boue biologique, le polymère, nous l’avons vu, n’est nécessaire que dans quelques cas particuliers. Le type de réponse n’est d’ailleurs pas toujours le même (figure 5).

Consommation d’air

Si le flottateur est bien conçu (le système de détente en fines bulles est d’ailleurs bien plus essentiel que le rendement de saturation en pressurisation) les consommations d’air restent acceptables : rapport Air/Boues entre 0,015 et 0,03 kg Air/kg MS. Tant que la pressurisation indirecte garde des taux de recyclage inférieurs à 100 %, elle est bien sûr la moins chère en énergie.

Hauteur du lit de boue

Ce paramètre apparaît essentiel pour un drainage maximum de la couche de surface. Les appareils circulaires permettent des hauteurs de lit de boues très importantes et très régulières (le Sediflotazur de Genève-Aïre, qui donne d’excellents résultats, fonctionne par exemple en continu avec un lit de boue de 0,9 à 1,1 m sans créer de problèmes de boues de fond). Le système de raclage des boues flottées peut être asservi à une détection de la hauteur du lit de boue (installation de Baden avec sonde optique).

III. — INSTALLATIONS INDUSTRIELLES

Quelques exemples sont donnés en boue biologique (tableau 3) et en boue d’eau potable (tableau 4). Certains flottateurs fonctionnent à charge modeste : bien que le flottateur puisse fonctionner sans problème en marche discontinue sans surplus de travail. Les charges indiquées correspondent donc au tonnage disponible sur la station en régime continu.

Les implantations peuvent être très variées : flottateur sous bâtiment, extérieur avec couverture polyester, extérieur sans couverture. Les organes de détente et de pressurisation doivent cependant être protégés des intempéries.

L’analyse des résultats nous montre qu’en boue biologique des siccités de 4 % peuvent être obtenues sans problèmes et sans polymère. Beaucoup d’installations sont conçues pour fonctionner soit en pressurisation indirecte, soit en pressurisation directe, ce qui donne une grande souplesse d’adaptation à la qualité des boues.

Le dimensionnement d’un flottateur s’effectue selon le critère de charge massique ; néanmoins en épaississement des boues, des vitesses de 6 à 7 m³/m²/h nous semblent une limite.

En boues d’hydroxydes, les concentrations obtenues (généralement supérieures à 3 %) permettent une exploitation rationnelle de tout appareil de déshydratation.

TABLEAU 3 – FLOTTATEURS INDUSTRIELS DEGRÉMONT SUR BOUES BIOLOGIQUES URBAINES,

QUELQUES RÉSULTATS D’EXPLOITATION

(Doc. Degrémont)

TABLEAU 4 – FLOTTATEURS INDUSTRIELS DEGRÉMONT SUR BOUES D’EAU POTABLE,

QUELQUES RÉSULTATS D’EXPLOITATION

(Doc. Degrémont)

CONCLUSION

La filière « épaississement par flottation » est maintenant étudiée de près dans maints projets concernant des stations complètes de traitement, urbaines ou industrielles.

Son intérêt n’est plus à démontrer dans les cas de boues colloïdales hydrophiles. Les réalisations industrielles témoignent de la simplicité d’exploitation et de la stabilité des résultats.

Nos études pilotes ou industrielles nous ont fait découvrir des notions nouvelles très intéressantes : fiabilité d’un système direct, utilisation très exceptionnelle de polymère, fonctionnement à lits de boues épais, etc. Le Sediflotazur permet tout cela et devrait sans nul doute connaître un développement encore plus grand dans la mesure où l’épaississeur statique verra encore ses performances descendre.

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

1. 1. P. Mouchet – La flottation à air dissous : point de vue sur son développement et sur la diversification de ses applications dans le traitement des eaux. L’Eau, l’Industrie, les Nuisances, sept. 83 (1ʳᵉ partie), oct. 83 (2ᵉ partie).
2. 2. P. Thébault et A. Haubry – Conception rationnelle des filières modernes de traitement : un exemple type avec la mise en œuvre des techniques de flottation à l’usine de Moulle-Dunkerque. Congrès AIDE (IWSA), Zurich, 1982, sujet spécial n° 10.
3. 3. F. Lancoud – Épaississement des boues en excès par flottation à la station d’épuration d’Aire-Genève. Bulletin ARPEA n° 104 (janv. 1981).
4. 4. Degrémont – Mémento Technique de l’Eau, 8ᵉ édition, 1978.
5. 5. Sarfert – Eindickung von Überschussschlamm mit Hilfe der Entspannungs-Flotation im Berlin-Marienfelde. Progress in Water Technology, vol. 8, n° 6 (1977).
6. 6. EPA, oct. 1978 – Sludge Treatment and Disposal.
7. 7. Bratby J. et Marais G.R. – Dissolved air flotation of waste activated sludge. IAWPR (oct. 1976) à Sydney.
8. 8. Dietmar Kansy – Comparative investigations of different methods to concentrate waste activated sludge. Progress in Water Technology, IAWPR/Pergamon Press 1980, vol. 12, n° 3.
9. 9. Communications internes, Service RDR, Degrémont.