Siccité des boues : quelles avancées ?

Quelle que soit leur origine et quel que soit leur devenir, les boues d'épuration font l’objet d’un certain nombre d’opérations de traitements successifs qui ont pour objectif de stabiliser les matières organiques, de réduire leur fermentescibilité, de les hygiéniser mais aussi et surtout de réduire leur teneur en eau. Car à l'origine, les boues d’épuration sont d’abord et avant tout constituées d'eau : une part d'eau traitée (eau interstitielle) et une part d’eau contenue dans les bactéries (eau cellulaire). Au total, une boue biologique peut contenir jusqu’à 99,5 % et une boue primaire jusqu’à 97 % d'eau ! Quelle que soit la destination finale de ces boues, une bonne part du traitement consistera donc à réduire cette teneur en eau pour obtenir, selon les exigences de la filière de valorisation retenue, des boues épaissies, déshydratées ou séchées... Ces traitements, bien connus, permettront d'obtenir des boues dont la siccité finale se situera entre 4 et 10 % pour les boues.

Épaissies, de 12 à 35 % pour les boues déshydratées et de 60 à 95 % pour les boues séchées selon que le séchage sera naturel ou thermique. Des fourchettes de siccités assez larges donc, d’abord du fait de la nature des boues considérées et de la destination finale : le compostage nécessite une siccité autour de 16 %, l’épandage agricole une siccité de 5 à 30 %, le séchage de 17 à 35 % et l'incinération une siccité supérieure à 60 %. La boue est un matériau complexe. Selon sa nature, il est possible d’atteindre des siccités différentes : la siccité finale d’une boue biologique se situe autour de 13 à 18 % alors que celle d'une boue primaire peut atteindre jusqu’à 35 %. La concentration, la masse volumique, la viscosité ou encore le comportement de la boue en matière de vitesse de sédimentation sont autant de paramètres qui influent directement et substantiellement sur l’efficacité du process de séparation liquide-solide retenu. Mais les procédés eux-mêmes évoluent régulièrement. Plus performants, bien adaptés aux boues à traiter et correctement mis en œuvre, ils peuvent permettre de gagner, à investissement équivalent, plusieurs points de siccité par rapport aux taux précédemment obtenus. Les progrès enregistrés en matière de conditionnement des boues, étape préalable à toute opération de traitement, permettent de maximiser la siccité finale des boues après traitement tout en consommant moins de réactifs.

Le choix d'une solution technologique pour épaissir ou déshydrater les boues est loin de se limiter au seul critère de la siccité maximale. Outre les critères des coûts d’investissement et d’exploitation d'un atelier de déshydratation, d'autres critères techniques sont aussi pris en compte par les décideurs :

• - Le taux de capture des M.E.S. : c’est le rapport entre la quantité de matières en sus-

Les matières en suspension contenues dans les eaux extraites des boues et celles initialement contenues dans celles-ci. Ces fuites de MES ainsi que celles contenues éventuellement dans les eaux de lavage rejoignent les eaux de retours en tête de station et constituent donc une surcharge polluante et hydraulique dont il faut tenir compte pour le dimensionnement de la filière de traitement liquide. D’où un surcoût non négligeable en termes d’investissement et de fonctionnement.

• - Le taux de relargage de polluants séquestrés par les boues surtout quand les bactéries sont déchiquetées par l'effet d'une déshydratation mécanique trop énergétique. Ces relargages de polluants, comme le phosphore, engendrent une surcharge polluante non négligeable qu'il convient de rajouter au flux de pollution entrant dans la STEP.
• - La consommation d'eau essentiellement pour le lavage a à la fois un coût de production (eau potable ou eau industrielle) et un coût de retraitement dans la STEP car elle ramène une quantité non négligeable de MES qui souvent ne sont pas comptabilisées dans le taux de capture.
• - La consommation énergétique et la consommation de réactifs, considérées aujourd'hui comme des critères de qualité environnementale et de développement durable. Ces critères deviennent cruciaux dans le cas d'une filière de valorisation énergétique de la biomasse.
• - D'autres critères tels que la simplicité d'utilisation, la fiabilité ou la compacité sont aussi pris en compte.

Des boues de mieux en mieux conditionnées

Le conditionnement physico-chimique qui consiste à incorporer aux boues des réactifs chimiques permettant de faciliter la séparation solide-liquide est une étape clé, quel que soit le procédé de concentration de solides retenu. Ces réactifs, le plus souvent des réactifs minéraux ou polymères de synthèse, permettent de floculer la boue en cassant la stabilité colloïdale pour former artificiellement des flocs de taille plus importante. Bien qu’ils existent depuis longtemps, ils ont beaucoup progressé ces dernières années.

Ces dernières années, les deux producteurs de chaux Lhoist et Carmeuse ont introduit sur le marché des réactifs de pré-chaulage (respectivement Neutralac® Q SR et Codecal®). Injectés en amont des équipements de déshydratation, ils permettent d'éviter l'investissement et le coût induit (maintenance, consommation électrique) des malaxeurs à socs de charrue ou à double arbre à palettes. Le chaulage devient plus efficace et moins coûteux. Les gains de productivité constatés se situent, sur filtre-presse, entre 40 et 70 % par rapport à un référentiel usuel en chaux hydratée et s’accompagnent d'une diminution de volumes des boues pouvant aller jusqu’à 20 %. « Sur centrifugeuse, le procédé Codecal® permet, de par la qualité du conditionnement, d’améliorer considérablement la qualité des boues tout en garantissant la traçabilité de leur hygiénisation », souligne Memmes Nasser, responsable développement chez Carmeuse.

Un autre atout de ces réactifs est leur utilisation en poudre directement dans la boue sans passer par l’étape préalable de la préparation d’un lait de chaux. Évolution de cette première approche de pré-chaulage,

Lhoist, en collaboration avec SNF Floerger, a développé des réactifs hybrides chaux-polymères à travers sa gamme Neutralac® Calci-Flo®. « Ceux-ci, tout en optimisant le processus de déshydratation (augmentation de 15 à 25 % de la teneur de MS sur filtre à bande et de 25 à 35 % sur centrifugeuse), génèrent des économies significatives, entre 10 et 20 %, de floculant tant organique que minéral, indépendamment de l’outil de déshydratation » souligne Siegfried Tenas, Chef de marché Environnement France chez Lhoist.

La gamme de polymères linéaires et hautement réticulés Zetag® 9000 de BASF Water Solutions améliore également les performances d’épaississement et de déshydratation, même à des niveaux de dosage faibles du fait de leur poids moléculaire élevé. Ces réactifs permettent de tirer pleinement parti des équipements de chaulage et de dosage de plus en plus sophistiqués proposés par Sodimate, Emo, Wam France Environnement, Le Floch Dépollution ou Opal Ingénierie.

WAM France Environnement qui s'est spécialisée dans les ateliers de chaulage de boues depuis plus de 15 ans propose des ensembles complets depuis la reprise des boues en sorties des postes de déshydratation, jusqu’aux points de décharges. Ces ateliers intègrent des convoyeurs à vis, un ensemble d’extraction et de dosage de chaux et un malaxeur.

La technologie des convoyeurs utilisés pour le transfert des boues est à vis sans âme. L'extraction et le dosage de chaux s’effectue par l'association d’un fond vibrant et d'une vis équipée d’un moteur avec variation de vitesse. Dans certains cas, le dosage peut s’effectuer à l'aide d’un ou plusieurs micro-doseurs (plusieurs postes de mélange). « L'association de ces différents équipements est issue de l’expérience industrielle acquise par le groupe international WAMGROUP » souligne Nicolas Brincourt, directeur général de WAM Environnement FRANCE. Enfin, le mélange s'effectue selon deux technologies au choix : le malaxeur à socs de charrue pour réaliser un mélange intime et à cœur entre la boue et la chaux ou le malaxeur à palettes, moins intensif, mais présentant l’avantage d’être plus économique. Dans tous les cas, il est conseillé de se rapprocher du constructeur pour définir la technologie la mieux adaptée au besoin.

Sodimate a de son côté conçu et intégré dans ses solutions complètes de chaulage (dévouteur doseur de chaux vive, mélangeur boue chaux, convoyeur de transfert de boue à vis), un mélangeur dynamique dont la conception compacte permet une implantation dans des process existants alimentés par un système mécanique d’extraction et dosage de chaux vive. Une double auge en inox équipée de deux rotors à pas inverses et sécants composés de palettes crantées orientables permet un mélange de haute qualité de la boue et de la chaux vive durant son avancée dans le corps du mélangeur. L’Irstea a également développé et breveté, pour des petites et moyennes stations d’épuration, un procédé de post-traitement de boue, comprenant une étape de chaulage de la boue avec de la chaux vive dans un fourreau à double vis corotatives.

Le choix des réactifs de conditionnement et la détermination de leur dosage se sont également considérablement affinés évitant désormais tout tâtonnement. Des essais de faisabilité et d’optimisation étant pratiquement toujours nécessaires pour déterminer la nature et le dosage des réactifs à utiliser, l’Institut de Filtration et des Techniques Séparatives (IFTS) a développé des outils pour rationaliser les opérations de conditionnement chimique des boues (voir EIN n° 355).

Le BooTest® permet ainsi, à l’échelle du laboratoire, de floculer des boues dans des conditions contrôlées et répétables. Cet outil peut être utilisé aujourd’hui pour valider ou modifier la dose d’emploi d’un coagulant ou d'un floculant pour maximiser la siccité finale de la boue en sortie de la filière de traitement sans nécessiter d’essais à l’échelle industrielle. Il permet également de tester d’autres réactifs pour augmenter la siccité finale des boues déshydratées ou en réduire la consommation et ainsi de mieux appréhender

La diversité des boues en fonction de leur aptitude à floculer dans des conditions définies et reproductibles. Les progrès enregistrés ces dernières années ont mis en lumière l’importance du couplage entre les propriétés physiques et mécaniques des matériaux à déshydrater et la technologie retenue permettant ainsi d’améliorer sensiblement les résultats obtenus en matière de déshydratation mécanique.

La société Adequatec a conçu son propre matériel de test car sa presse à vis est munie d'un tambour à disques unique en son genre. Elle a mis au point un Adequapress miniature pesant moins de cinq kilos destiné aux essais en laboratoire. Elle construit aussi un pilote de taille industrielle issu de sa gamme Adequapress hybride H1100 monté sur skid avec tous ses périphériques prêts à fonctionner, permettant des essais chez l’exploitant aussi bien en déshydratation qu’en épaississement.

Déshydratation mécanique

Améliorer les résultats obtenus en matière de déshydratation mécanique

De la simple table d’égouttage à la centrifugeuse en passant par la presse à vis ou le filtre à bandes, les équipements de déshydratation ont également beaucoup progressé. Le filtre-presse, aujourd’hui commercialisé par Faure Equipements, Andritz, EMO ou Choquenet, n’a plus grand-chose à voir avec ce qu’il était il y a seulement dix ans. « Le filtre-presse reste l’équipement de déshydratation mécanique le plus efficace en termes de siccité pour tout type de boue » souligne Jean-Pierre Deltreil, Faure Equipements. Le gain de siccité obtenu avec des plateaux à membrane est de +10 % par rapport au filtre-presse traditionnel et permet de garantir à faible coût énergétique et faible consommation de réactifs des résultats élevés et constants.

L'arrivée des dispositifs de dématissage automatique des gâteaux par système pneumatique, raclage ou pesée a séduit les exploitants qui y ont vu le moyen d’en finir avec la discontinuité qui affectait ce type d’équipement tout en se passant de la présence permanente d’un opérateur. Des automatismes toujours plus performants en matière de lavage automatique des toiles, de décolmatage, de débouchage des trous d’alimentation sur filtres-presses à membrane ont permis d’automatiser le fonctionnement de cet équipement autrefois considéré comme rustique.

Faure Equipements a par exemple mis au point un système efficace à 100 % du contrôle de la chute des gâteaux garantissant un dématissage automatique sécurisé et un fonctionnement 24 h/24 et 7 j/7. Le filtre-presse full automatique et compact développé par Faure Equipements peut être mis en place dans des locaux réduits, voire même dans des containers maritimes, ce qui optimise les coûts d'investissement et raccourcit considérablement le délai de chantier et de mise en route.

Sa sobriété en matière de consommation énergétique a également contribué à son regain d’intérêt, renforçant ainsi sa présence sur les stations d’épuration, notamment sur le créneau de 10 à 20 000 EH.

Le renchérissement du coût de l’énergie a également incité les exploitants à modifier le regard porté sur les filtres à bandes proposés par Andritz, ATR Créations, Huber Technology, Serinol, PHR Industrie ou EMO. Alfa Laval, qui vient de faire l’acquisition de Ashbrook Simon-Hartley, un fabricant leader de systèmes de séparation liquide/solide, de contrôle des fluides et fournisseur de services pour les installations de traitement des eaux usées municipales et industrielles, figure désormais éga-

Les unités mobiles Adequapress allient sobriété énergétique et compacité

La deuxième unité mobile de déshydratation Adequapress a été installée et mise en service début 2012 à la station d’épuration de Chevigny Saint-Sauveur exploitée par la Sogedo pour le compte de la communauté d’Agglomération du Grand Dijon.

Cette STEP qui reçoit les eaux usées urbaines et industrielles des communes de l’est dijonnais a été portée en 2004 de 60 000 EH à 80 000 EH. Cependant, la filière de traitement des boues est restée à une capacité de traitement de 60 000 EH. La filière liquide comprend, entre autres, une décantation primaire, une flottation des boues biologiques ainsi qu’une digestion, ce qui permet plusieurs combinaisons en termes de traitement des boues. Le mélange de ces boues est traité par un digesteur avant sa déshydratation par filtre-presse. Pour traiter l’excédent de boues (environ 20 000 EH) tout en laissant ouvert le choix entre les différentes filières, le client a décidé de mettre en place un traitement par déshydratation mécanique mobile. L’Adequapress mobile a parfaitement répondu à cette problématique puisqu’elle peut traiter indifféremment des boues primaires, déshydratées ici à 35 %, des boues digérées, déshydratées à hauteur de 20 % ou les boues mixtes (boues digérées plus biologiques), également traitées à hauteur de 20 % de siccité finale.

Mais ce qui est à la fois inédit et étonnant en termes de déshydratation mobile, c’est la sobriété énergétique et la grande compacité du système proposé autour d’une Adequapress DH3200.

En effet, la puissance totale installée pour l’ensemble de l’atelier mobile n’est que de 10 kW seulement, ce qui évite l’usage d’un groupe électrogène ou une éventuelle augmentation du transformateur de la STEP. De plus, l’ensemble de l’atelier tient sur une remorque de moins de 3 tonnes de PTAC, 7 m de long sur 2,5 m de large tout en offrant un confortable local électrique avec un espace bureau. La faible consommation d’eau de nettoyage des Adequapress (quelques dizaines de litres par tambour et par heure) a permis aussi d’économiser un poste de production d’eau industrielle. C’est donc au final un coût d’investissement attractif que propose Adequatec pour ces unités mobiles.

Longtemps considérés comme de simples alternatives, les filtres-presses reviennent parmi les acteurs importants dans le domaine des filtres-presses. Un regain d’intérêt bienvenu, bien que leur attrait ne se résume pas à leur bilan énergétique. L’arrivée des filtres à bandes presseuses a permis d’offrir un procédé continu de traitement des boues avec un bon taux de capture des matières en suspension et d’apparaître ainsi comme une véritable alternative aux centrifugeuses et filtres-presses. Au-delà de leurs qualités traditionnelles (robustesse, sobriété, coûts d’exploitation réduits) des avancées en matière de mobilité qui permettent de mutualiser le traitement sur plusieurs sites ou de récupérer les eaux issues de l’égouttage séduisent les exploitants. D’autant que les performances ne cessent de s’améliorer. En fonction de la nature des boues à déshydrater, des performances de 10 t/h de moyenne à 30 % de siccité en sortie ne sont pas rares.

Des résultats qui permettent de talonner les centrifugeuses développées par Andritz, Alfa Laval, Flottweg, Pieralisi ou Westfalia Separator qui progressent également : optimisation de la géométrie des bols, meilleure exploitation des variations de l’anneau liquide et utilisation plus rationnelle des polymères. L’Aldec G3 d’Alfa Laval permet des économies sur la consommation d’énergie pouvant atteindre jusqu’à 40 % ainsi qu’une augmentation de la capacité de traitement des boues allant jusqu’à 10 %. Ce nouveau décanteur a été conçu autour d’une innovation baptisée Slimline qui met en jeu un convoyeur de diamètre réduit ce qui augmente l’espace disponible pour le liquide dans le bol et accentue la pression sur la paroi du bol. Ce nouveau convoyeur permet, au choix, d’obtenir une siccité plus importante ou d’utiliser moins de polymères. Parallèlement, le rayon plus petit de la sortie du liquide permet de réduire la perte d’énergie lors de la rotation du bol et d’économiser jusqu’à 20 % sur les coûts énergétiques. Une autre

Une innovation baptisée Power Plates permet en plus de réduire la consommation d'énergie jusqu'à 20 %. L'Aldrum G3, le nouveau filtre rotatif d'Alfa Laval présenté à l'IFAT 2012, s'appuie sur les innovations techniques du décanteur centrifuge Aldec G3. En fonction de la nature des boues, Aldrum G3 peut réduire le volume de boues jusqu'à 90 %, diminuant ainsi leurs coûts de traitement, de transport et de stockage.

De son côté, Andritz a présenté au printemps dernier à l'IFAT CentriTune, un système avancé de contrôle pour un fonctionnement optimisé des décanteurs centrifuges qui répond à des exigences de rendement élevées au plus bas coût possible. Le système est conçu selon la technologie API (Automate Programmable Industriel), d'une interface d'opérateur, d'une interface parallèle et/ou d'un bus pour commander les variateurs de vitesse et d'un système de contrôle de la centrale de surveillance. Cette interface, basée sur Ethernet, permet la surveillance à distance et le contrôle via Internet, par exemple avec un simple Smartphone.

Les presses à vis développées proposées par Huber Technology ont également largement progressé. La presse à vis RoS3Q de Huber Technology, adaptée aux stations de 2 000 à 50 000 EH, permet de déshydrater des boues à partir d'une concentration en entrée de 6 g/l, avec des performances identiques à la centrifugation : siccité en sortie, consommation de polymères, taux de capture. Mais sa consommation énergétique est de 6 à 10 fois moins importante.

Chez Adequatec, les différentes gammes d'Adequapress permettent d'obtenir des siccités allant de 5 à 35 % selon la nature des boues avec une faible consommation d'électricité (10 Wh/kg MS) ainsi que de polymères (5 à 7 kg/t MS).

« En 2012, Adequatec a surtout travaillé sur ses coûts de production en menant avec ses sous-traitants et fournisseurs français une analyse de la valeur afin de gagner en compétitivité », souligne Abel Smati. La société annonce une baisse de ses prix catalogue allant de 10 à 20 % selon les modèles d'Adequapress. Pionnier de la presse à vis avec tambour dynamique, Adequatec a dévoilé en mai dernier à Munich son projet d'une nouvelle génération de tambours à disques nommée Adequapress Swing.

Les tambours sans frottement et sans limite de taille se caractérisent par une séparation entre les fonctions de pressage et de filtration. En effet, le mouvement des anneaux mobiles de l’Adequapress Swing n’est plus assuré par la vis mais par deux arbres à came externes dont la cinétique brevetée a fait l'objet d'une étude financée par Oseo Innovation.

Autre avancée venue de l'agroalimentaire, la presse à piston développée par Bucher qui combine les performances du filtre-presse et l’automatisation de la centrifugeuse. Cette presse, au centre du procédé Dehydris™ Twist développé par Degrémont, repose sur l’application d’une pression et d'un morcellement répétés du gâteau de boue formé. Les boues sont introduites dans une chambre cylindrique et la pression qui ne dépasse pas 5 bar, soit 1/3 de celle appliquée par un filtre à plateaux, est exercée par l'intermédiaire d'un piston hydraulique. La reprise de l'eau interstitielle s'effectue par des drains cylindriques tubulaires flexibles montés en faisceau entre le fond du cylindre et le piston. Ses points forts ? Une bonne qualité de déshydratation, une grande compacité, un fonctionnement 100 % automatique sans présence de personnel y compris lors du débaissage et une productivité élevée : un temps de marche de 24 h/24 et 7 j/7 est possible, ce qui est le cas de la quasi-totalité des installations actuellement en fonctionnement. Testé sur les usines de production d'eau potable d’Avranches et de Morsang et sur les stations d’épuration de Valenton, Elancourt, Pont-Saint-Maxence et Meulan-les-Mureaux, le procédé a à chaque fois démontré des avantages significatifs par rapport aux équipements installés en offrant une productivité supérieure et une réduction des quantités de boues produites de 30 %, voire plus. La technologie présente de plus l’avantage d’être compatible et de tirer le meilleur parti de chaque type de conditionnement utilisé dans le traitement des boues. La presse Bucher peut sans modification basculer d'un type de conditionnement à un autre ce qui en fait un équipement flexible, polyvalent et multi-filière. Dehydris Twist permet d’obtenir des boues proches de l’auto-thermicité ; positionné à l'amont de filières thermiques telles que le séchage ou l’incinération, il permet d’optimiser les dépenses énergétiques. Cette technologie sera mise en œuvre sur l'usine de production d’eau potable de Châteaubourg 600 m³/h (35) (40 % de siccité sans adjonction de chaux), et sur les stations d'épuration de Weyersheim 30 000 EH (67) (32 % de siccité sur des boues digérées sans adjonction de chaux) et Béziers (34) 200 000 EH (28 % de siccité sur boues biologiques de BRM sans adjonction de chaux). Toutes ces avancées permettent de gagner plusieurs points de siccité tout en consommant moins d’énergie et moins de réactifs. Mais les performances de déshydratation de ces équipements, même si elles s’améliorent régulièrement, ne font pas tout.

Épaississement et déshydratation : les équipements ne font pas tout

Le conditionnement physico-chimique des boues reste l’étape clé de tout processus de concentration solides/liquides. Cette étape peut être menée avec une grande diversité de réactifs minéraux ou organiques à des dosages variables qui neutralisent les charges de surface des solides et favorisent leur agglomération.

Mais la diversité et la variabilité des boues à traiter ainsi que la complexité des processus de floculation expliquent qu'il n'existe pas de solutions universelles.

Pour traiter sur filtre-presse, on cherchera à créer des flocs sensibles à une déshydratation sous pression avec une faible résistance spécifique, une siccité élevée, un filtrat clair et favorisant un décollement facile du gâteau des toiles filtrantes.

Pour un filtre à bandes, on préférera plutôt des flocs qui se caractérisent par une bonne aptitude à l’égouttage et à la déshydratation sous pression, qui résistent correctement au cisaillement et produisent un gâteau de siccité aussi élevée que possible avec un filtrat clair.

Pour une décanteuse centrifuge, on recherchera des flocs résistants, capables de refloculer après cisaillement, une siccité élevée des boues et un centrat clair.

Pour une presse à vis avec tambour dynamique de type Adequapress, on cherchera un polymère le plus simple possible permettant une bonne séparation de phase avec un floc de résistance moyenne, apte à libérer l'eau interstitielle gravitairement et sous pression.

Pour profiter pleinement des avancées en matière d’épaississement et de déshydratation, il reste indispensable de mener des essais de faisabilité et d’optimisation reproductibles et quantifiables.

Eux seuls permettent d’appréhender la variabilité de la boue et son influence sur les performances des équipements et ainsi de déterminer le meilleur couplage possible.