Performances et limites de la déshydratation des boues de stations d'épuration

par le Dr J. REUTER.

Chemische Fabrik

STOCKHAUSEN GmbH

INTRODUCTION ET BUT DE L’ÉTUDE

La déshydratation mécanique des boues s’est largement répandue ces dernières années et a donc beaucoup gagné en importance. Les principaux procédés employés aujourd’hui sont les suivants :

• — centrifugation par décanteuses à bol plein et à vis ;
• — pressage dans des filtres à bandes sans fin ;
• — pressage avec cisaillement dans des filtres à bandes sans fin à effet de cisaillement ;
• — filtration sur filtres rotatifs sous vide ;
• — filtration sous forte pression dans des filtres-presse.

La possibilité de choisir et l’obligation de décider entre ces différentes alternatives obligent à répondre à la question : quel est le procédé optimal dans tel cas déterminé ? Malheureusement, la discussion qui suit l’énoncé de la question ne conduit presque jamais à une réponse satisfaisante par manque de précision dans l’énoncé du but à atteindre et dans la fixation des conditions limites.

Cette étude s’efforce de déterminer les limites des performances des procédés de déshydratation cités plus haut. Cette détermination demande une réponse aux questions suivantes :

• — jusqu’à quelle teneur moyenne en matières sèches peut-on déshydrater les boues à l’aide des procédés cités plus haut, et quelle est la dispersion statistique des résultats ;
• — comment la moyenne et la dispersion des résultats se modifient-ils avec le type de boue ;
• — quelle est la consommation de réactif dans chaque cas ;
• — l’indication de la teneur en matières sèches que les boues déshydratées peuvent atteindre suffit-elle à représenter les performances limites ou bien faut-il recourir à d’autres critères de jugement ?

Les réponses à ces questions permettent vraisemblablement aussi d’évaluer le risque que l’on court en prédisant des résultats de déshydratation, s’agissant par exemple de donner une garantie de performances.

PRINCIPE DES ESSAIS

C’est l’exploitation statistique d’un grand nombre de résultats expérimentaux qui nous permettra le mieux d’atteindre les objectifs de l’étude. Naturellement, ces résultats doivent satisfaire à un certain nombre de conditions pour que leur comparaison soit possible.

Les résultats nécessaires à cette exploitation statistique nous ont été fournis aussi bien par des exploitants que par des constructeurs d’appareils et d’installations de traitement de boues. Ils proviennent aussi en grande partie de nos propres expérimentations. Nous avons pris un soin extrême dans la sélection des résultats retenus : il ne s’agit pas de valeurs choisies pour impressionner, mais bien, dans chaque cas, de valeurs d’exploitation véritables et reproductibles.

Pour pouvoir être retenus, les résultats devaient satisfaire aux conditions suivantes :

• — provenir d’essais d’une durée minimale de 4 heures, au cours de laquelle au moins 12 échantillons étaient pris ;
• — le prélèvement des échantillons, leur préparation, leur analyse répondaient aux normes en vigueur ;
• — la phase liquide sortant de la machine, c’est-à-dire le centrat ou le filtrat, devait contenir moins de 0,1 % de matières décantables (valeur moyenne de tous les échantillons prélevés pendant un essai) ;
• — les boues étaient conditionnées exclusivement à l’aide de floculants organiques polymères ;
• — les conditions d’exploitation, c’est-à-dire les paramètres de la machine et le conditionnement des boues étaient réglés de manière optimale dans chaque cas.

Parmi tous les résultats, extrêmement nombreux, que nous avions à notre disposition, nous en avons retenu 550 qui satisfaisaient à l’ensemble de ces critères.

Critères d’appréciation.

Le résultat de la déshydratation mécanique des boues dépend principalement des facteurs suivants :

• — type et caractéristiques des boues ;

— type et conditions de fonctionnement de la machine utilisée ;

— type de conditionnement des boues.

Type et caractéristiques des boues.

Les variables qui conviennent le mieux pour caractériser les boues sont :

— leur origine : boues primaires, digérées, activées. À ces dernières nous avons rattaché les boues stabilisées par traitement aérobie ;

— leur teneur en matières solides : elle a été déterminée dans chaque cas et prise en compte.

Une distinction plus poussée de l’origine des boues, par exemple : boues mixtes formées de boues de décantation primaire et de boues activées, ou bien boues digérées provenant exclusivement de la décantation primaire, serait certainement utile et souhaitable, mais nous n’avons pas pu l’adopter dans le cadre de cette étude.

D’autres facteurs importants pour caractériser le comportement des boues dans la déshydratation, que nous n’avons pu prendre en compte, sont les suivants :

— résidu de calcination pour caractériser le rapport matière organique — matière minérale ;

— rétention capillaire, mesurée par le temps de succion capillaire, pour caractériser l’aptitude des boues à retenir l’eau ;

— viscosité des boues, pour caractériser leurs propriétés rhéologiques ;

— température ;

— teneur en électrolytes dissous.

Machines utilisées.

Les machines utilisées appartenaient aux types suivants :

— décanteuses centrifugeuses à bol plein et à vis ;

— filtres à bandes presseuses ;

— filtres à bandes presseuses à effet de cisaillement ;

— filtres rotatifs sous vide ;

— filtres-presse.

Parmi ces cinq groupes de machines, seuls les filtres-presse fonctionnent de manière discontinue.

Nous n’avons retenu un résultat que lorsque le réglage de la machine pouvait être considéré, selon toute probabilité, comme optimal. Les paramètres importants qui caractérisent le réglage de ces machines sont :

@ pour les décanteuses :

— la vitesse du bol ;

— la vitesse différentielle de la vis ;

— le diamètre du diaphragme.

@ pour les filtres à bandes presseuses :

— la vitesse des bandes ;

— l’écartement des rouleaux.

@ pour les filtres rotatifs sous vide :

— la vitesse du tambour ;

— la submergence du tambour.

@ pour les filtres-presse :

— la pression en fonction du temps.

Une variable qui influe notablement sur le résultat de la séparation est le débit de la machine exprimé en m³/h ou en kg/h de matières sèches (MS). Le débit possible dépend avant tout de la taille de la machine. Il n’a pas été possible, jusqu’à présent, de trouver une relation définissant un débit spécifique rapporté à un certain paramètre caractéristique de la machine et indépendant des dimensions de cette dernière. Par exemple, dans le cas des décanteuses à vis à bol plein, il serait vain de vouloir exprimer un débit spécifique en m³/h par mètre de diamètre de bol, car les machines de grand diamètre ont un débit proportionnellement plus élevé que les machines de petit diamètre.

Dans le cas des filtres à bandes presseuses, il semblerait de prime abord que la donnée du débit spécifique horaire par mètre de largeur de bande soit significative et permette de comparer des machines de tailles différentes et de constructeurs différents. Il convient cependant de toujours bien préciser quelle est la largeur de bande le long des bords qu’il convient de retrancher, comme « morte » ou « inactive », de la largeur totale, car le rapport de la largeur utile à la largeur totale est nettement plus défavorable dans les petites machines, équipées de bandes filtrantes étroites, que dans les grandes machines, qui possèdent des bandes larges.

S’agissant des filtres rotatifs sous vide et des filtres-presse, l’expression du débit spécifique en m³/h ou en kg/h de MS par m² de surface filtrante est courante et s’est d’ailleurs révélée tout à fait judicieuse.

Il a été impossible jusqu’à présent d’établir des relations entre les débits de machines dont le principe de fonctionnement est différent, par exemple entre une décanteuse centrifuge et un filtre à bandes presseuses. Pour cette raison, il nous a fallu, dans l’exploitation des résultats, renoncer à prendre en compte la variable certainement très intéressante et importante du débit d’alimentation de la machine.

Conditionnement des boues.

S’agissant du conditionnement des boues, nous avons posé comme conditions : d’une part, l’utilisation exclusive de floculants organiques polymères ; d’autre part, l’optimisation, dans chaque cas, par des essais préalables, des variables suivantes relatives au polymère :

— choix du type : faiblement, moyennement ou fortement cationique ;

— concentration de la solution employée ;

— lieu d’introduction.

Nous avons fixé et pris en compte dans le dépouillement :

— le type de polymère (faiblement, moyennement ou fortement cationique) ;

— la quantité ajoutée en kg par tonne de matières sèches.

Résultats.

Dans la déshydratation mécanique des boues, le praticien s’intéresse avant tout aux résultats suivants :

• — teneur en matières sèches des boues déshydratées ;
• — teneur en matières sèches dans la phase liquide sortante (centrat ou filtrat) ;
• — rendement d’extraction des matières solides ;
• — taux d’épaississement ou de concentration.

Ces valeurs ont été déterminées et prises en compte dans le dépouillement, ou fixées comme valeurs limites à ne pas dépasser.

Par exemple, l’on n’a utilisé que des résultats des essais dans lesquels la phase liquide sortante avait une teneur en MS inférieure ou égale à 0,1 % en poids. Cette limite étant fixée, le rendement d’extraction des solides, γ, exprimé en % en poids et calculé par la formule :

          MS gâteau · (MS alimentation — MS liquide)
γ = -----------------------------------------------------------
          MS alimentation · (MS gâteau — MS liquide)

était toujours supérieur à 90 %. La détermination de la moyenne et de la dispersion de la teneur en MS dans la phase liquide sortante et du rendement d’extraction était superflue.

Le taux d’épaississement ou de concentration fut défini comme étant le rapport des teneurs en matières sèches dans le gâteau et dans l’alimentation :

          MS gâteau
KG = -----------------  (%)
        MS alimentation

Le taux de concentration représente donc le facteur d’enrichissement en MS dans le gâteau, à partir des boues d’alimentation.

D’autres données intéressantes pour caractériser le résultat de la déshydratation mécanique des boues, par exemple :

• — la DBO et la DCO de la phase liquide sortante ;
• — la teneur en électrolytes de la phase liquide sortante ;
• — le résidu de calcination et le pouvoir calorifique du gâteau ;
• — la valeur fertilisante ou la teneur en matières azotées du gâteau ;
• — le comportement thixotropique du gâteau ;

et d’autres encore, n’ont été connues que de manière trop sporadique pour pouvoir être prises en compte.

Les résultats ont été exploités en calculant :

• — la moyenne arithmétique TS₀ du pourcentage en poids de MS dans les boues d’alimentation, et sa dispersion représentée par TS₀±σ ;
• — la moyenne arithmétique TSₓ du pourcentage en poids de MS dans le gâteau et sa dispersion TSₓ±σ ;
• — la moyenne arithmétique de la consommation de floculant en kg par tonne de MS dans les boues d’alimentation ;
• — la moyenne arithmétique du taux de concentration calculée d’après les valeurs trouvées pour TS₀ et TSₓ.

Ces valeurs ont été calculées séparément pour chaque type de machine indiqué plus haut, et ensemble et séparément pour chaque type de boue : primaire, digérée, activée ou stabilisée aérobie.

Étant donné un ensemble de n valeurs observées de la variable x, la moyenne arithmétique x̄ est égale à la somme des n valeurs xi prises par la variable, divisée par le nombre d’observations n :

          Σ xi
x̄ = ---------
            n

et l’écart type σ est donné par la formule connue :

          Σ (xi – x̄)²
σ = --------------------
            n – 1

DÉCANTEUSES CENTRIFUGES À BOL PLEIN ET À VIS

Nombre et origine des résultats.

Nous avions à notre disposition 311 résultats exploitables obtenus dans 274 stations d’épuration situées dans 16 pays différents, et dans lesquels des décanteuses des marques suivantes sont installées : Alfa-Laval (Suède), Flottweg (Allemagne), Guinard (France), Klöckner-Humboldt-Deutz (Allemagne), Krüger (Danemark), Pennwald-Sharples (Grande-Bretagne), Starcosa (Allemagne).

Exploitation.

La figure 1 montre le résultat de l’exploitation graphique des valeurs obtenues avec les décanteuses centrifuges. La forme des courbes de répartition montre qu’il s’agit largement de distributions normales, ce qui était d’ailleurs à prévoir.

La courbe du haut regroupe les 311 résultats obtenus dans les 274 stations ; les boues sont en moyenne déshydratées à 22,9 % de MS avec un écart type assez fort : σ = 6,8 %. Donc 68 % des valeurs de la teneur en MS sont comprises dans l’intervalle 16,1 – 30,7 %.

Comment se répartissent les résultats dans les trois catégories de boues ? Les trois courbes suivantes donnent la réponse :

• — boues primaires : 80 résultats ; moyenne de la teneur en MS du gâteau : xₚ = 23,7 %, écart type : σ = 5,7 % ;
• — boues digérées : 171 résultats ; moyenne de la teneur en MS du gâteau : xₓ = 25,1 %, écart type : σ = 5,8 %.

— boues activées et boues stabilisées aérobies : %xp = 15,4 %, σ = 5,1 %, c'est-à-dire que 68 % des valeurs sont comprises entre 10,3 et 20,5 % de MS dans le gâteau.

FILTRES À BANDES PRESSEUSES

Nombre et origine des résultats.

Nous avons regroupé dans cette catégorie les machines qui travaillent essentiellement avec des bandes horizontales (ou, dans le cas de la tour filtrante, avec des bandes verticales) et ne sont pas équipées de dispositifs particuliers de foulage et de cisaillement des boues. Nous avions à notre disposition 116 résultats provenant de 105 stations réparties dans 9 pays et équipées de machines des constructeurs suivants : Degrémont (France), A. Klein KG (Allemagne), Passavant Werke (Allemagne), Préfiltec AG (Suisse), Anlagenbau Gesellschaft W. Roediger (Allemagne).

Exploitation des résultats.

La figure 2 montre que, pour les machines de cette catégorie, l'ensemble des résultats ne se répartit pas suivant une distribution normale, mais qu'il s'agit au contraire de deux populations mélangées, avec deux maxima. La moyenne de la teneur en MS, Tx, est égale à 25,3 % et l'écart-type σ vaut 7,8 %. La moyenne est donc de 2,4 % plus élevée que pour les décanteuses centrifuges.

L’examen des courbes de répartition pour chaque type de boue montre qu’en effet l'on a bien affaire à un mélange de deux populations de résultats. Laissant de côté les boues primaires, pour lesquelles l'on ne possède que 13 résultats, on voit que la courbe des boues digérées, avec une moyenne de 28,6 %, et la courbe des boues activées, avec une moyenne de 18,0 %, présentent des maxima nettement distincts, ce qui se retrouve dans la différence des moyennes : 10,6 %.

FILTRES À BANDES PRESSEUSES À EFFET DE CISAILLEMENT

Nombre et origine des résultats.

Nous désignons sous ce terme les machines dans lesquelles les boues sont soumises à d’importantes forces de cisaillement dans une zone largement dimensionnée possédant un système de rouleaux de renvoi et de compression. Ces forces de cisaillement sont destinées à améliorer l'essorage du gâteau. Nous disposions de 100 résultats provenant de 89 stations situées dans trois pays et équipées de machines des constructeurs suivants : Andritz AG (Autriche), Bellmer KG (Allemagne), A. Klein KG (Allemagne), Mat GmbH (Allemagne), Ritterhaus und Blecher GmbH (Allemagne).

Exploitation des résultats.

La figure 3 donne les courbes de répartition de la teneur en MS dans les boues déshydratées obtenues avec les filtres à bandes à cisaillement. De nouveau, ces courbes montrent des répartitions normales. Les moyennes et les

écarts-type des teneurs en MS sont donnés dans le tableau suivant :

Résultats totaux

1 Nombre de stations, de pays, de constructeurs

Nombre de résultats considérés

2 Teneur moy. en MS des boues d'alim. (TS)

3 Teneur moy. en MS du gâteau écart type (TS)

4 Consommation moyenne de floculant kg/t MS

Boues primaires

1 Nombre de résultats considérés

2 Teneur moy. en MS des boues d'alim. (TS)

3 Teneur moy. en MS du gâteau écart type (TS)

4 Consommation moyenne de floculant kg/t MS

Boues digérées

1 Nombre de résultats considérés

2 Teneur moy. en MS des boues d'alim. (TS)

3 Teneur moy. en MS du gâteau écart type (TS)

4 Consommation moyenne de floculant g/t MS

Boues activées

1 Nombre de résultats considérés

2 Teneur moy. en MS des boues

3 Teneur moy. en MS du gâteau

4 Consommation moyenne de floculant

FILTRES ROTATIFS SOUS VIDE ET FILTRES-PRESSE

Nous ne disposions que de deux résultats pour chacun de ces systèmes de déshydratation, de sorte qu'un dépouillement statistique était impossible. Nous nous contenterons de reproduire les résultats trouvés.

Filtres rotatifs sous vide.

Station A : boues digérées provenant d'un traitement physique et biologique ; teneur en matières sèches : 3,5 %. Après conditionnement à l'aide d’un floculant moyennement cationique, elles sont déshydratées à 12 % de MS. La consommation de polymère s’élève à 6,9 kg par tonne de MS.

Station B : boues de décantation primaire digérées, à 6 % de MS, conditionnées avec un polymère de poids moléculaire relativement faible, fortement cationique, et déshydratées à 28 % de MS. Consommation de polymère : 5 kg par tonne de MS.

Filtres-presse.

Dans les deux stations considérées, des boues digérées à 5,4 et 4,9 % de MS sont déshydratées. Les boues sont conditionnées dans les deux cas par un polymère cationique de force moyenne, et déshydratées dans les filtres-presse à 30,5 et 33 % de MS. La consommation de polymère nécessaire s’élève à 3,8 kg/t de MS dans le premier cas et à 3,4 kg/t dans le second.

COMPARAISON DES RÉSULTATS

Le tableau 1 rassemble les résultats les plus importants. Si l'on considère l'ensemble des valeurs trouvées, regroupant les trois types de boues, on voit que la teneur moyenne

Tableau 1.

Récapitulation des résultats obtenus avec les décanteuses centrifuges et les filtres à bandes presseuses sans et avec effet de cisaillement. Les pourcentages sont exprimés en poids.

de MS du gâteau, pour une teneur en MS à peu près constante dans l’alimentation, s'accroît dans le sens : décanteuse centrifuge — filtre à bandes presseuses — filtre à bandes presseuses à cisaillement. Elle passe respectivement de 22,9 % à 25,3 % puis à 29,5 %. Mais l'écart-type augmente en même temps, passant de 6,8 % à 7,8 % puis à 8,3 %, c’est-à-dire que le degré de confiance que l’on peut accorder aux résultats diminue également.

S'agissant des différents types de boues, les conclusions sont les suivantes : indépendamment du type de machine considéré, ce sont les boues digérées qui se déshydratent le plus facilement : c’est ce que montrent aussi bien les valeurs moyennes que la dispersion des valeurs. Les moyennes les plus faibles et les dispersions les plus fortes sont observées pour les boues activées et les boues stabilisées aérobies, indépendamment du système d'essorage.

Si l'on compare les systèmes de déshydratation, on voit que ce sont toujours les décanteuses centrifuges qui ont produit les boues déshydratées avec la plus faible teneur moyenne en MS, et les filtres à bandes presseuses à cisaillement, les boues avec la plus forte teneur moyenne en MS, indépendamment du type de boues considéré.

TAUX DE CONCENTRATION

Que signifie l'affirmation que les décanteuses centrifuges donnent des boues déshydratées à plus faible teneur en solides que les filtres à bandes presseuses avec ou sans cisaillement ? Pour le savoir, il nous faut comparer la teneur moyenne en MS à ce que l’on appelle le taux de concentration. Ce facteur est égal au rapport de la teneur en solides des boues déshydratées à la teneur en solides des boues à déshydrater, c’est-à-dire que son expression contient : d’une part, une variable de sortie (résultat obtenu) et d’autre part une variable d’entrée (teneur en MS des boues d’alimentation).

Le tableau 2 donne les taux de concentration obtenus avec les trois systèmes de déshydratation étudiés, aussi bien pour l'ensemble des résultats (les trois types de boues réunis), que pour les boues digérées seules et les boues activées seules. Alors que pour l’ensemble des résultats, la constatation faite plus haut est encore valable, à savoir que le taux de concentration augmente en passant de la décanteuse centrifuge au filtre à bandes presseuses puis au filtre à bandes presseuses à cisaillement, le tableau se modifie si l'on ne considère que les boues digérées.

Dans ce dernier cas, les trois systèmes de déshydratation fournissent presque le même taux de concentration ; la valeur la plus élevée est obtenue dans le cas du filtre à bandes presseuses.

Au contraire, le tableau se modifie encore du tout au tout avec les boues activées : avec 5,92, ce sont les décanteuses centrifuges qui fournissent le taux de concentration le plus élevé, suivies des filtres à bandes à effet de cisaillement avec 5,44, tandis que les filtres à bandes sans cisaillement donnent la valeur la plus faible. Ce résultat confirme qu’à l’évidence, la teneur en MS des boues traitées influence le résultat de manière prépondérante ; cette variable doit donc toujours être prise en compte pour juger les résultats obtenus par un système de déshydratation.

Nous voudrions profiter de cet exemple pour attirer une fois de plus l’attention sur les problèmes de méthodologie que l'on rencontre dans l’évaluation comparée des systèmes de déshydratation, même lorsque l'on dispose d'un grand nombre de résultats à dépouiller.

Seules des études de corrélation détaillées pourraient montrer plus clairement l’influence des caractéristiques de la matière traitée, d'une part, et des paramètres de fonctionnement des différents systèmes de déshydratation d’autre part, sur le résultat final, et faire connaître leurs interactions. C’est là un très vaste champ d’investigation qui est ouvert à la recherche appliquée.

Tableau 2

Récapitulation des taux de concentration obtenus par déshydratation des boues à l'aide de décanteuses-centrifugeuses et de filtres à bandes sans et avec effet de cisaillement. Les pourcentages sont exprimés en poids.

EN RÉSUMÉ

L’objet de l’étude était la détermination, par analyse statistique, de la moyenne et de la dispersion des résultats de déshydratation de boues urbaines à l'aide de trois types de machines : décanteuses centrifuges à vis à bol plein, et filtres à bandes presseuses avec et sans effet de cisaillement.

L'étude a montré qu’avec les trois types de boues considérés, ce sont normalement les boues digérées qui atteignent les plus fortes concentrations en matières sèches. La comparaison des valeurs moyennes obtenues a montré que ce sont les décanteuses qui donnent en moyenne les plus faibles valeurs de la teneur en matières sèches, et les filtres à bandes presseuses à cisaillement les valeurs les plus élevées. Par contre, la comparaison des taux de concentration montre qu'il est impossible de parler d'une supériorité générale des filtres à bandes sur les décanteuses quant aux teneurs en matières sèches obtenues. Dans le cas des boues activées, le taux de concentration est plus élevé avec les décanteuses qu’avec les filtres à bandes presseuses.