La calcination des écorces de riz génère une silice amorphe qui conserve la morphologie initiale de l'écorce. Cette silice possède une perméabilité élevée qui lui confère des propriétés d'adjuvant de filtration. Des post-traitements chimiques, par exemple d'imprégnation par du silicoaluminate de calcium, permettent d'obtenir en plus des qualités de piège à métaux lourds. Ces propriétés ont été confirmées par des essais de traitement d'effluents industriels contenant des métaux lourds.
Qu’est-ce que la silice biogénétique amorphe ?
L'incinération de la balle de riz – l'écorce des grains de riz – permet sous certaines conditions de calcination d’obtenir une silice biogénétique amorphe (voir encadré). Cette silice conserve la forme originelle de l'écorce de riz, un aspect de micro-tuile ou de canoë (figure 1), selon la brisure initiale de la balle. En raison de cette structure et d’une faible surface spécifique, cette silice offre des propriétés particulièrement intéressantes de drainage de l’eau d’imprégnation de boues à caractère minéral ou organique. La silice est introduite en nourrissage, c’est à dire mélangée à la boue avant l’étape de filtration. Elle permet d’accroître significativement la siccité du gâteau de filtration : en valeur relative de 25 à 50 % supplémentaires par rapport aux procédés habituels de séparation.
Les caractéristiques physico-chimiques du produit
Les propriétés de drainage de l'eau résultant de la structure de la silice biogénétique sont dues à sa structure, mais également à une surface spécifique assez faible de 13 m² par gramme.
La perméabilité des adjuvants solides de filtration dépend généralement de la taille des particules. La mesure de la granulométrie (figure 2) conduit à un diamètre moyen de 100 μm. Le diamètre moyen efficace donné par une mesure granulométrique sous ultrasons est de 50 μm ; il rend mieux compte de la désagglomération des particules dans un réacteur de neutralisation agité. La perméabilité du produit reste particulièrement élevée : elle est supérieure à 13 Darcy, ce qui la place largement au-dessus des autres adjuvants commerciaux tels que les perlites ou terres de diatomées qui atteignent au plus 7 à 8 Darcy. La densité réelle du produit est de 2, et la densité apparente 0,34.
Nous indiquons dans la figure 3 l’analyse chimique détaillée de la silice biogénétique. Dans les conditions de calcination de la balle de riz, le produit contient du carbone élémentaire. Ce carbone a un pouvoir d’adsorption de matières organiques proche des charbons actifs.
Les produits sont noirs, ce qui peut nuire à certaines utilisations dans l’industrie agro-alimentaire ou en chimie fine, mais ils sont particulièrement adaptés au traitement des effluents liquides et des boues. De plus, totalement constitués de silice amorphe, ils ne présentent pas les dangers d’utilisation des adjuvants de filtration contenant de la silice cristallisée, telles que les terres de diatomées.
Les domaines d’application des produits à base de silice biogénétique
Une gamme de produits a été développée et brevetée par la société américaine EnviroGuard. Pour le moment, trois produits différents sont commercialisés en Europe pour répondre aux
Besoins spécifiques de filtration des boues industrielles en incluant leur devenir.
La configuration de base de la silice biogénétique (produit A) est particulièrement adaptée à la filtration des boues à caractère peu toxique. Elle permet de réduire très sensiblement les cycles de filtration et abaisse la teneur en eau du gâteau à mettre en décharge. Des essais réalisés aux USA ont également montré la compatibilité du produit avec le compostage.
Ce produit A a été modifié pour traiter des boues à caractère toxique en raison des matières organiques qu’elles contiennent (produit B) ou de la présence de métaux lourds (produit C).
Dans le produit B, la silice est associée à des microfibres de caoutchouc, qui lui confèrent un pouvoir calorifique élevé (PCI : 16 000 kJ/kg) tout en conservant ses qualités d’adjuvant de filtration. Ce produit est particulièrement adapté pour traiter, par exemple, des boues huileuses ou des boues organiques telles que les biomasses industrielles ou les boues de stations d’épuration biologique. Les siccités élevées – jusqu’à 75 % – obtenues après filtration confèrent à ces boues un pouvoir calorifique intéressant (7 000 à 15 000 kJ/kg) pour une incinération en four de cimenterie.
Autre modification de la silice biogénétique : l’imprégnation par un aluminosilicate de calcium donne le produit C.
Qui, outre ses qualités conservées d’adjuvant de filtration, acquiert des propriétés de précipitation des métaux lourds et surtout d’immobilisation au sein du gâteau de filtration.
C’est un exemple de mise en œuvre de ce produit C que nous détaillons dans la suite de cet article.
Le cas particulier des boues d’hydroxydes minéraux
Les procédés physico-chimiques de traitement d’effluents industriels contenant des métaux lourds consistent à précipiter les hydroxydes métalliques en imposant un pH alcalin par introduction de chaux ou de soude. Ces procédés, largement utilisés, présentent cependant des limites.
À des pH élevés, certains hydroxydes se resolubilisent. La valeur de pH de précipitation retenue est un compromis car les pH optimaux de précipitation diffèrent sensiblement d’un métal à l’autre. De plus, la présence d’agents organiques complexants augmente les concentrations résiduelles.
Les boues d’hydroxydes sont souvent colmatantes et difficiles à filtrer. Hydrophiles, elles retiennent l’eau d’imprégnation. L’utilisation de poly-
A. Société Galvano-Inox.
B. Société Abbaye Acey.
La mise en œuvre et les processus physico-chimiques associés sont les suivants :
- — neutralisation de l’effluent à l'aide de chaux, de soude ou de magnésie pour atteindre un pH basique compris entre 7 et 9 selon les métaux présents. On réalise ainsi une précipitation rapide de la plupart des hydroxydes métalliques ;
- — ajout, dans le réacteur de neutralisation de silice biogénétique imprégnée d’aluminosilicate. Le pH évolue alors lentement vers un pH d’équilibre compris entre 10 et 11. On précipite alors des silicates mixtes de calcium et métaux ;
- — filtration du mélange silice biogénétique-précipités métalliques. La silice joue alors son rôle principal d’adjuvant de filtration ;
- — après filtration, les réactions chimiques de transformation des alumi-
nosilicates se poursuivent, réalisant ainsi in situ l’immobilisation des métaux toxiques.
Un exemple de mise en œuvre industrielle
La silice biogénétique amorphe imprégnée d’aluminosilicate a été testée et utilisée dans plusieurs stations de traitement d’effluents industriels. Nous donnons ici des exemples de mise en œuvre dans l’atelier de l’entreprise Galvano Inox en région parisienne et dans l’atelier de l’Abbaye d’Acey, dans le Jura. Ces entreprises réalisent des opérations de traitement de surface.
La station d’épuration de l’entreprise Galvano Inox possède un équipement performant et très complet (figure 4), pour répondre aux variations souvent importantes et brutales de composition des effluents à traiter. Le débit moyen journalier à traiter est d’environ 30 m³. L’objectif d’utilisation du produit C est d’assurer un confort de régularité de qualité de l’effluent quelles que soient les variations de teneurs en métaux dans l’alimentation de la station.
La silice biogénétique imprégnée a été injectée en continu dans la cuve de neutralisation des effluents, sans modification du circuit de traitement, à des débits compris entre 0,5 et 4 kg/heure. La campagne d’essais a duré deux mois. Nous montrons sur la figure 5 l’évolution sur une période de 15 jours des teneurs en zinc à l’entrée du bac de neutralisation et dans l’eau traitée en surverse du décanteur. On visualise ainsi le nivellement des teneurs en sortie, malgré de très fortes variations de concentrations dans l’alimentation de la cuve de neutralisation. Le tableau de la figure 6 résume les résultats obtenus pendant la campagne d’essais. En moyenne, les résultats sont excellents pour l’ensemble des métaux présents. On a cependant noté une faible marge de sécurité pour le cadmium au niveau de l’eau décantée. Toutes les analyses réalisées sur l’effluent en sortie du filtre à sable ont montré une qualité de l’eau remarquable, y compris pour le cadmium. Dans ces conditions, les résines de sécurité pourraient être court-circuitées sans aucune incidence sensible sur la qualité de l’effluent. Ceci augmente la marge de sécurité de l’installation.
Qualité des boues et incidences sur l’étape de filtration
La vitesse de filtration est considérablement améliorée par l’effet de drain qu’amènent les balles de riz calcinées. La durée des pressées, initialement de quatre à cinq heures a été réduite à environ deux heures. L’eau filtrée a une teneur en métaux comparable à l’eau sortant des filtres à sables. Le recyclage de l’eau filtrée en tête de décanteur, qui apporte une surcharge d’impuretés métalliques peut ainsi être évité. La diminution très sensible de la résistance à la filtration permettrait d’envisager une filtration directe en sortie de floculation par exemple sur un filtre plan sous pression.
Des tests de lixiviation ont été réalisés sur les boues pour différents taux d’adjuvant de filtration : la teneur en éléments toxiques dans la fraction lixiviable est très faible, et répond aux critères de déchet stabilisé qui sera exigé pour les boues d’épuration des bains de traitement de surface en 1998 (figure 7). La siccité du gâteau est supérieure à 35 % pour des boues stockées en benne sous léger courant d’air. Sur un autre site industriel de traitement de surface, à l’Abbaye d’Acey, la rétention des métaux lourds dans la boue d’hydroxydes est encore supérieure, et la siccité a dépassé 40 %.
Conclusion
La silice biogénétique issue de la calcination de balles de riz est un adjuvant de filtration à haut pouvoir drainant, efficace pour accroître la siccité de boues industrielles. Après imprégnation avec des aluminosilicates de calcium, la silice biogénétique permet également de piéger les métaux lourds et d’assurer leur immobilisation dans le gâteau de filtration. Outre la qualité des flux, il en résulte, pour la station de traitement d’effluent une fiabilité de conduite, une réduction des durées de filtration, ainsi qu’un allègement de la charge des équipements de sécurité (résines, filtres à sable...), de leur coût et servitude de fonctionnement.
