Cet article fait suite à un premier publié dans cette revue à l'occasion d'un numéro spécial* ayant trait aux boues. Nous indiquions alors les résultats des premiers mois de séchage d'une lagune que nous exploitons en traitement des boues issues de la station de production d'eau potable d'Ispe, située dans le département des Landes, à proximité de Biscarrosse.
Notre premier article faisait état du comportement de la lagune en phase de stockage ; celui-ci fera le point d'une année de séchage avec le comportement de la boue en fonction des saisons et à différentes profondeurs dans la lagune. L'aspect économique de l'exploitation de ce procédé sera également abordé en fin d'article.
RAPPELS CONCERNANT LA PRÉSENTATION DE L'USINE DE PRODUCTION D’EAU D'ISPE
Il s'agit d'une station de capacité moyenne (5 000 m³/j) dont la production actuelle se situe à environ 50 % (2 600 m³/j) de la capacité nominale.
Les boues produites représentent environ 55 tonnes de matières sèches par an. Elles sont issues des purges de décanteur auxquelles viennent s'ajouter les purges d'un saturateur d'eau de chaux.
Le traitement appliqué sur l'eau est en effet le suivant :
- — Floculation - décantation - filtration ;
- — Reminéralisation (chaux + gaz carbonique) ;
- — Stérilisation.
* N° 40, décembre 1979, pages 65 à 75, « Stations de production d'eau potable : essais de traitement des boues d'hydroxydes par lagunage », par J. COLLIOT, L. HAHN et A. DEGUIN.
Le floculant utilisé est du sulfate d'alumine au taux moyen de 25 g/m³. Pour aider la décantation des flocs légers, une charge siliceuse est ajoutée au taux moyen de 31 g/m³.
Les boues produites sont récupérées dans une fosse avant d’être relevées sur la lagune qui fonctionne en phase de stockage. Cette alimentation se fait au débit de 20 m³/h pendant 2 minutes toutes les 10 minutes lorsque la station produit de l’eau. Au total, l'alimentation s'effectue pendant 2,7 h par jour.
CONDITIONS CLIMATIQUES RÉGIONALES
Le séchage d'une lagune sera tributaire des conditions climatiques de la région, à savoir en particulier :
- — la température et,
- — les précipitations.
La première caractéristique permettra de modifier la structure de la boue selon qu'il y aura gel ou forte évaporation et facilitera donc la déshydratation le cas échéant.
La seconde, en revanche, limitera l'évaporation en créant éventuellement une couche d'eau recouvrant la boue. Cette couche d'eau devra si possible être enlevée par pompage afin d’accélérer la phase de séchage.
Comme l'illustrent les relevés des précipitations reportés sur le graphique n° 1, nous observons une hauteur moyenne annuelle sur les dix dernières années de 900 mm de pluie. Ce qui se traduit en moyenne par la valeur de 75 mm répétée sur les douze mois d'une année.
L'écart type rapporté à la moyenne annuelle des dix années écoulées est de 11,7 %, ce qui traduit une faible dispersion des valeurs relevées.
Le graphique n° 1 montre, par ailleurs, que la moyenne mensuelle des précipitations relevées au cours de l'année de séchage (août 1979 à août 1980) encadre bien la valeur moyenne de 75 mm de la dernière décennie.
En ce qui concerne les températures, la moyenne annuelle calculée sur la dernière décennie s'établit à environ 13 °C (graphique 2). Les tracés des évolutions des moyennes mensuelles établies sur une décennie et au cours de l'année de séchage de la lagune se superposent pratiquement comme l'illustre le graphique 2.
Par conséquent, cet examen des conditions climatiques de la région de Biscarrosse effectué sur les dix dernières années révèle que l'année correspondant à notre suivi du séchage d'une des deux lagunes de la station d'Ispu n'est pas exceptionnelle puisque les valeurs relevées ne s'écartent pas (ou peu) des moyennes décennales.
COMPOSITION DE LA BOUE DANS LA LAGUNE
Afin de mieux cerner la nature de la boue dans la lagune, nous avons procédé, après quatre mois de séchage, à une série de carottages. Ceux-ci ont été effectués à différentes distances selon des lignes perpendiculaires à un axe médian correspondant au trajet linéaire de l'effluent depuis l'entrée jusqu'à la sortie de la lagune (voir schéma en plan de la lagune et photo).
De ces carottes, nous avons constitué des échantillons moyens en fonction de leur éloignement de prélèvement par rapport au point d'alimentation de la lagune.
Le graphique 3 figure la teneur moyenne en matières sèches des échantillons moyens, en fonction de la distance du prélèvement par rapport à l'alimentation de la lagune. On observe une teneur moyenne élevée de matières sèches jusqu'à 6 m de l'entrée.
sur la lagune puis une chute brutale de 3 % au cours des 3 m suivants et une valeur stabilisée à 14 % de siccité, quelle que soit la distance au-delà de 9 m.
On peut voir, ci-dessous, le cratère correspondant à l’alimentation de la boue (point 0), puis le passage de l’arête périphérique du cratère avec montée en concentration en matières sèches (points 3 et 6 m) et, enfin, l’écoulement lent de l’effluent vers la surverse de la lagune (points 9 m et au-delà).
Le graphique 3 schématise donc la sédimentation des boues au cours du remplissage de la lagune.
Le tableau 1 regroupe les résultats d’analyses sur la composition moyenne des échantillons moyens prélevés à 3, 6 et 18 m du point d’alimentation de la lagune.
Tableau 1. – Composition chimique principale de la boue dans la lagune (mesures effectuées après 4 mois de séchage)
| Paramètres contrôlés | 3 m | 6 m | 18 m | Moyenne |
|---|---|---|---|---|
| Insolubles à l’acide chlorhydrique (argiles) (%) | 45,2 | 50 | 48,9 | 48 |
| Fer (en % de Fe[OH]₃) | 5,5 | 5,3 | 4,8 | 5,2 |
| Aluminium (en % de Al[OH]₃) | 7,5 | 7,8 | 7,2 | 7,5 |
| Calcium (en % de CaCO₃) | 43,2 | 39,5 | 40 | 40,9 |
Les résultats montrent des proportions d’argile et de calcaire prédominantes par rapport aux hydroxydes. Cette composition est considérée comme favorable à une bonne déshydratation en matière de traitement de boues. Les résultats exposés dans le paragraphe ci-après confirmeront d’ailleurs cette observation.
EVOLUTION DU SÉCHAGE DE LA LAGUNE : RÉSULTATS OBTENUS SUR UNE ANNÉE
1. – Variations de températures dans la lagune
Selon les saisons, nous avons rapporté sur le graphique 4 l’évolution des températures relevées à différentes profondeurs dans la lagune.
La courbe 1 montre les variations de température de l’air ambiant et il est très perceptible sur le graphique de constater un écart marqué pendant la période hivernale entre le fond et la surface de la lagune (courbes 4 et 2). Cet écart fait apparaître un faible refroidissement des couches profondes situées à 1,80 m de la surface. La courbe 4 montre d’ailleurs une faible amplitude de température entre les saisons (minima 12,7 °C ; maxima 19 °C, soit une différence de 6,3 °C seulement) comparée à celles des autres couches (en surface ∆t = 19,5 °C et à mi-profondeur ∆t = 10,3 °C) et surtout à celle de l’air ambiant (∆t = 25,5 °C).
Si l’on admet que plus les écarts de températures sont élevés, plus les modifications de structure de la boue risquent de se produire, surtout lorsqu’il y a gel puis dégel, nous pouvons nous attendre à un gradient de concentrations décroissant au fur et à mesure de la pénétration en profondeur de la lagune.
Le paragraphe suivant rend compte de ces résultats pour lesquels nous pouvons d’ores et déjà observer que la lagune n’a connu le gel qu’en surface.
(+) = air ambiant au-dessus de la lagune (1) = surface lagune (-5 cm) (3) = mi-profondeur (-90 cm) (4) = au fond (-180 cm)
(t = 0 °C dans l’air ambiant en hiver et t = 5,5 °C à 5 cm en dessous de la surface gelée selon le graphique 4).
2. – Évolution du gradient de siccité dans la lagune au cours du séchage.
Il est illustré par le graphique 5 qui montre les variations de siccité observées au cours des mois de séchage à différents niveaux dans la lagune (surface, milieu et fond).
La courbe 3 (représentant le fond de la lagune) indique le maximum de siccité atteint dans la lagune (30 % après un an de séchage). Le minimum de siccité se situe à 14,5 % et intéresse les couches situées à mi-profondeur dans la lagune. En moyenne, toutes couches mélangées, la siccité dans la lagune en fin de séchage est égale à 18 %, celle au début du séchage se situait à environ 14 %.
Le gain de teneur en matières sèches en un an sur l’ensemble de la lagune ne représente qu’une faible valeur : 4 %.
Toutefois, la siccité de départ se trouvait déjà élevée et le graphique 6 illustre bien le gain de teneur en matières sèches selon le niveau de profondeur dans la lagune. Ce gain est matérialisé par deux zones (hachures obliques) situées au fond et en surface de lagune.
(1) = surface de la lagune (-5 cm) (2) = mi-profondeur (-90 cm) (3) = au fond (-180 cm)
La zone intermédiaire (hachurée en lignes croisées) représente une couche ayant subi une perte de siccité. L’interprétation de ce phénomène peut se concevoir si l’on admet une migration par capillarité de l’eau incluse au sein de la boue.
Au fond, sous l'effet de la pression due au poids de boue située au-dessus, la structure se modifierait et l'eau migrerait soit vers le sable supportant la boue (la lagune étant creusée à même le sable) soit vers les couches sous-dessus.
En surface, sous l'effet des écarts importants de température de l'air ambiant, l'apport d'énergie serait suffisant pour modifier la structure de la boue et permettre la migration de l'eau interstitielle de la boue soit vers l'atmosphère avec évaporation, soit vers les couches du dessous.
Ces dernières verraient donc un apport d'eau du dessous et du dessus, ce qui expliquerait cette zone de dilution du graphique 6 avec perte de siccité.
3. – Bilan du séchage.
En une année, la lagune a gagné, nous l'avons déjà signalé, 4 % de siccité.
Le tableau 2 résume les résultats obtenus en ce qui concerne la teneur moyenne en matières sèches résultant du séchage et la teneur en matières volatiles correspondante (exprimée en % des matières sèches).
Tableau 2. – Teneurs en matières sèches de la boue contenue dans la lagune après 12 mois de séchage.
| Paramètres | |
|---|---|
| – Matières sèches (siccité) | |
| • En % de M.S. | 18,2 |
| • Écart type | 6,7 |
| • Nombre de valeurs | 12 |
| • Mini en % de M.S. | 8,5 (couche à 1,3 m du fond) |
| • Maxi en % de M.S. | 15,5 (couche à 1,6 m du fond) |
| – Matières sèches volatiles (en % des matières sèches totales) | |
| • En % de M.S. | 12,0 |
| • Écart type | 2,0 |
| • Nombre de valeurs | 12 |
| • Mini en % de M.S. | 8,4 (couche du fond) |
| • Maxi en % de M.S. | 30 (couche du fond) |
Les teneurs en matières volatiles relevées indiquent qu'il s'agit de boues très peu fermentescibles avec un minimum observé pour les couches situées au fond de la lagune (celles qui correspondent aux boues les plus anciennes). Le maximum de teneur en matières volatiles se situe en surface et concerne donc la boue stockée en dernier sur la lagune, ceci pouvant expliquer cela.
D'un point de vue gain de capacité de stockage pendant la phase de séchage, les résultats sont illustrés par le graphique 7 et le cliché ci-après. Ce dernier montre le tassement de la boue par rapport au niveau initial de la surverse de la lagune qui peut servir ici de repère.
En volume, l'évolution du gain rapportée sur le graphique 7 conduit en fin de l'année de séchage à près de 18 % du volume de stockage initial (celui-ci étant de 450 m³). Il est intéressant de noter la perte relative de volume enregistrée après 7 mois et demi sur le graphique 7. Cela correspond au printemps.
et la libération d’eau interstitielle opérée par le gel puis le dégel en surface à cette saison peut expliquer en partie cet accident d’évolution dans le gain de volume. Le dégel s'est effectué en effet en fin d'hiver et au début du printemps (entre 4 et 7,5 mois de séchage) puis après 7,5 mois, le réchauffement de l'air ambiant a assuré l'évaporation de l'eau ainsi libérée en surface.
CURAGE ET ENLÈVEMENT DE LA BOUE
Après une année de séchage, le gain de volume étant insuffisant pour assurer un stockage des boues au cours d'une nouvelle année, nous avons effectué un curage de la lagune avant de reprendre une nouvelle phase de remplissage. Le curage a été assuré par une pelle mécanique de location équipée de chenilles en raison d'un accès non aménagé à proximité des lagunes.
L'enlèvement des boues n'a pas nécessité dans notre cas l'usage de camion-benne en raison de la disponibilité d'un site approprié pour recevoir la boue solide et placé à proximité de la lagune (excavation à combler). À tout moment du curage, la boue est apparue pelletable avec une consistance solide. L'opération a été effectuée en une journée de huit heures effectives sans difficultés particulières.
BILAN ÉCONOMIQUE D'EXPLOITATION
Nous faisons apparaître dans ce bilan le coût d'exploitation des lagunes sans tenir compte de l'entretien ni de l’amortissement des pompes de relevages et sans compter la surveillance qui est négligeable dans ce cas.
L'établissement de ce bilan date de septembre 1980 avec les prix pratiqués à cette période.
Bien que dans notre cas précis, nous n'ayons pas eu à transporter la boue vers son point de décharge, nous avons arbitrairement pris en considération trois exemples de distance entre le lieu de destination et les lagunes (10, 50 et 100 km) afin de déterminer l'incidence de cette charge sur le coût d'exploitation.
1. Consommation d’énergie électrique
Nous avons considéré notre cas :
- — alimentation de la lagune en remplissage par une pompe de 20 m³/h (2 kW) fonctionnant deux minutes toutes les dix minutes, soit 10 minutes par heure pendant 16 heures par jour en moyenne, ce qui représente 2,7 heures de marche quotidienne ;
- — enlèvement périodique de l'eau qui surnage sur la lagune en séchage par une pompe de 7 m³/h (0,75 kW) fonctionnant en moyenne 1 h/j toute l'année.
2. Frais de curage de la lagune et d’enlèvement des boues
Nous avons loué une pelle mécanique (transport et conducteur compris jusqu'au lieu de travail) pour un prix à la journée de 2 100 F TTC. Dans l'éventualité d'un transport de boues, la location d'un camion-benne de 8 tonnes de charge (chauffeur compris) nous aurait coûté 150 F/h TTC.
En prenant trois éloignements différents du lieu de décharge et une vitesse moyenne de transport de 50 km/h, nous avons :
- — 10 km (20 km aller et retour) : 0,4 h d'utilisation ;
- — 50 km (100 km) : 2 h d'utilisation ;
- — 100 km (200 km) : 4 h d'utilisation,
auxquelles il faut ajouter un terme fixe d'environ 1 h 10 pour permettre le chargement et le déchargement d'un camion.
Étant donné qu'il y aurait eu dans notre cas 55 tonnes de boue à évacuer (voir notre premier article dans L'EAU ET L'INDUSTRIE, n° 40, décembre 1979), cela aurait nécessité 7 chargements pour permettre une immobilisation de l'engin de curage pendant une seule journée.
Selon la distance à parcourir pour transporter les boues, le nombre de camions en rotation diffère pour assurer une utilisation à temps plein de la pelle mécanique :
- — à 10 km, 2 camions sont nécessaires ;
- — à 50 km, 3 camions sont nécessaires ;
- — à 100 km, 5 camions sont nécessaires.
3. Récapitulatif – Coût d’exploitation rapporté au mètre cube d’eau produit.
Consommation électrique
- Alimentation de la lagune en remplissage : 2 kW × 2,7 h/j × 365 j × 0,25 F/kWh ............ 492,75 F/an - Pompage du surnageant pour assécher la lagune : 0,75 kW × 1 h/j × 365 j × 0,25 F/kWh ........... 68,44 F/an
Curage de la lagune
- Location d’une pelle mécanique (transport in situ compris) : 2 100 F/j × 1 j/an ............................................. 2 100,00 F/an
TOTAL ........................................................................ 2 661,19 F/an
Évacuation des boues (chargement et déchargement compris)
- 1er cas : 10 km de distance lagune–décharge 2 camions × 150 F/h × 8 h/j × 1 j/an ......... 2 400,00 F/an - 2e cas : 50 km de distance lagune–décharge 3 camions ...................................................... 3 600,00 F/an - 3e cas : 100 km de distance lagune–décharge 5 camions ...................................................... 6 000,00 F/an
Production moyenne d’eau à ISPE : 949 000 m³/an.
D’après les données ci-avant, le coût d’exploitation des lagunes de la station d’Ispe (sans transport) rapporté au mètre cube d’eau produit s’établit à 0,28 centimes/m³.
Toujours selon les données précédentes, les incidences d’un transport sur le coût d’exploitation des lagunes d’Ispe seraient :— Transport (A.R.) de 20 km : 0,25 centimes/m³, soit un supplément de près de 89 % du coût d’exploitation.
— Transport (A.R.) de 100 km : 0,38 centimes/m³, soit un supplément de l’ordre de 135 % du coût d’exploitation.
— Transport (A.R.) de 200 km : 0,63 centimes/m³, soit un supplément de 225 % du coût d’exploitation.
En d’autres termes, la part prise par le transport dans les trois cas annoncés ci-dessus serait respectivement de 47, 57,5 et 69 % du coût total d’exploitation des lagunes.
Il est à noter toutefois que, dans le cas le plus défavorable, le coût total demeure faible : 0,91 centimes par mètre cube d’eau produit.
En rapportant les coûts à la tonne de matières sèches à retirer des lagunes, ceux-ci deviennent :48,38 F/tonne (sans transport, comme c’est le cas à ISPE),92,00 F/tonne (avec 20 km [A.R.] de transport),113,84 F/tonne (avec 100 km [A.R.] de transport),157,47 F/tonne (avec 200 km [A.R.] de transport).
CONCLUSION
Le lagunage pour déshydrater les boues de la station de traitement d’Ispe constitue incontestablement un procédé économique et simple en exploitation.
Les résultats obtenus en siccité finale dans la lagune après une année complète de séchage sont comparables à ceux que l’on s’attend à obtenir généralement avec certaines techniques de déshydratation mécanique. De plus, ces résultats ont été obtenus sans ajout de produits complémentaires facilitant la déshydratation.
Il serait toutefois hasardeux d’extrapoler ces résultats à tout type de boues et peut-être à toute région géographique. Mais l’exemple que nous rapportons ici montre néanmoins qu’il est possible de déshydrater certaines boues à moindre coût en dépit de la faible production mise en jeu. À l’inverse, lorsque cette dernière est importante, le procédé de lagunage sera pénalisé par sa consommation de surface au sol. Comme souvent les grandes installations de production d’eau sont situées en zone urbaine à forte densité de population et à prix élevé des terrains disponibles, le lagunage deviendra coûteux en investissement.
D’une façon générale, la technique du lagunage pour déshydrater les boues d’hydroxydes qui résultent de la production d’eau potable donne des performances intéressantes lorsque la composition de la boue le permet. Ce procédé n’est donc pas à négliger en raison de son faible coût d’exploitation et mérite de trouver rang parmi les différents traitements de déshydratation actuellement disponibles.
