En France, dès 1952, la Société des Eaux de Marseille utilise le chlorure ferrique comme floculant en vue de la production d’eau potable aux stations de Sainte-Marthe et de Saint-Barnabé où son emploi se poursuit à ce jour. Simultanément commence à se développer à cette époque une application particulière du chlorure ferrique : comme adjuvant de filtration pour la dessiccation des boues dans les traitements d’épuration d’eaux d’égouts (1).
Cette application « particulière » est actuellement devenue l’application « principale » du chlorure ferrique en France, mais on peut signaler de nouveaux secteurs d’application, notamment :
• traitement physico-chimique (2) ;
• traitement de déphosphatation simultanée ou tertiaire (3) (4) ;
• pré-traitement d’effluents de stations biologiques surchargées.
L’hydrogène dégagé favorise l’élimination des impuretés (arsenic, par exemple) sous forme d’hydrures gazeux.
Au sujet de ce procédé de fabrication, il est utile de signaler que la majeure partie de l’acide chlorhydrique utilisé provient de la reprise d’acide ayant servi à des opérations de décapage, ce qui contribue à éviter la pollution du milieu naturel qu’entraîne le rejet de ce produit (pollution saline et matières en suspension). D’autre part, on réalise ainsi un recyclage de matières premières, ce qui permet des économies d’énergie ; si l’on considère de plus que les réactions chimiques (1) et (2) sont fortement exothermiques, l’énergie nécessaire pour fabriquer le produit est finalement presque nulle.
CARACTÉRISTIQUES DU CHLORURE FERRIQUE
Des tests sur site nous permettent de caractériser avec précision la boue et de préconiser la solution.
Le chlorure ferrique est commercialisé par P.C.U.K. exclusivement sous forme de solution à 41 % de FeCl₃.
Boues de station d’épuration mécanique :
Masse volumique à 20 °C > 1,43
FeCl₃ % en masse : 41 minimum
Auparavant, il est intéressant de rappeler brièvement : d’une part le procédé de fabrication et les caractéristiques essentielles du produit, et d’autre part passer en revue les systèmes de déshydratation les plus usuels. L’utilisation souhaitable et de plus en plus fréquente de ces boues urbaines par l’agriculture oblige à respecter certaines teneurs très limitées en métaux lourds.
FABRICATION DU CHLORURE FERRIQUE
P.C.U.K. possède deux unités de production de chlorure ferrique, l’une située à son usine de Loos près de Lille et l’autre à L’Estaque près de Marseille. Le procédé classique consiste à attaquer par l’acide chlorhydrique des ferrailles sélectionnées, puis à oxyder par du chlore le chlorure ferreux obtenu :
(1) Fe + 2 HCl → FeCl₂ + H₂ (2) 2 FeCl₂ + Cl₂ → 2 FeCl₃
Dans le chlorure ferrique lui-même existent certaines impuretés dont voici une analyse moyenne de la qualité « B » :
• Zinc : 890 ppm
• Cuivre : 60 ppm
• Manganèse : 490 ppm
• Plomb : 110 ppm
• Chrome total : 29 ppm
@ Nickel .................. 30 » @ Cobalt .................. 17 » @ Cadmium .................. 1 »
La reprise des acides de décapage tient compte de cette utilisation potentielle des boues traitées et les usines productrices effectuent un contrôle systématique de leurs teneurs en métaux lourds, laquelle ne doit pas dépasser certains seuils.
C'est pourquoi, comme on le verra plus loin, le conditionnement des boues urbaines à l’aide du CHLORURE FERRIQUE conduit, après déshydratation, à un produit dont les teneurs en métaux lourds sont largement inférieures aux limites imposées par la norme expérimentale AFNOR U 44-041 pour l'utilisation en agriculture.
Si cette norme n'est pas respectée pour un ou plusieurs de ces éléments, l'exploitant de la station d'épuration dispose, du fait même, d'un bon indicateur de pollution anormale dans le réseau.
Le Service Analyse du Centre d’Application de LEVALLOIS effectue régulièrement à la demande des organismes intéressés les déterminations prévues par la norme (5).
LES PRINCIPAUX SYSTÈMES DE DÉSHYDRATATION APPLICABLES AU CONDITIONNEMENT DES BOUES AVEC LE CHLORURE FERRIQUE
Les boues d'origine urbaine, qu'elles soient fraîches ou digérées, sont hydrophiles et à prédominance organique. Après épaississement elles contiennent encore une très forte proportion d'eau. Pour effectuer une déshydratation complémentaire sur les différents appareils existants un conditionnement est indispensable.
Le conditionnement à l'aide du CHLORURE FERRIQUE comme floculant, combiné avec l'emploi de chaux, conduit à l’agglomération des particules colloïdales sous forme de floc stable et résistant, ce qui donne des boues particulièrement bien adaptées à l'essorage sur filtre à vide, sur filtre-presse ou sur filtre à bandes presseuses verticales.
— La filtration sous vide est le plus ancien procédé de déshydratation mécanique en continu ; pratiquement, seuls les filtres à tambour rotatif sont utilisés en déshydratation de boues urbaines. Les modèles récents sont à sortie de toile : ceci autorise le lavage continu du support filtrant. — La filtration sous pression est d'application de plus en plus fréquente bien que l'investissement soit élevé. Ce développement s'explique par le fait que les versions modernes des filtres-presses comportent un automatisme très poussé autorisant un minimum de main-d’œuvre et permettent d'obtenir des siccités élevées du gâteau. Il en découle notamment : — une auto-combustibilité dans le cas d'une incinération ; — un abaissement notable des frais de transport dans le cas d'un envoi en décharge ou d'une utilisation agricole. Dans ce dernier cas, la bonne qualité du gâteau permet des stockages en tas près du lieu d'utilisation et l'emploi facile des épandeurs à fumier pour la distribution sur les champs. — Les filtres à bandes presseuses se sont beaucoup développés ces dernières années ; ils réalisent une déshydratation progressive avec dans un premier stade un égouttage simple suivi d'un pressage modéré. Les avantages de ce procédé sont essentiellement : — la robustesse et la simplicité des appareils, — la réalisation d'une déshydratation en continu, — la réduction des frais d'exploitation.
Il est intéressant de comparer les fourchettes de siccités des gâteaux obtenus avec les trois procédés :
Filtre à vide ............. 18 à 22 % de matières sèches Filtre-presse ............. 35 à 50 % Filtre à bandes presseuses (verticales) .... 22 à 33 %
L'emploi du CHLORURE FERRIQUE sur ces types d'appareils est tout à fait classique, car il permet d'obtenir les meilleures performances et ceci d'une manière fiable et constante. Nous allons en trouver une démonstration en examinant les résultats obtenus avec le CHLORURE FERRIQUE dans trois stations d'épuration d’eaux usées urbaines.
1. — À LA STATION D'ÉPURATION DU DISTRICT URBAIN DE MONTARGIS (LOIRET)
Fiche technique de la Station :
— Implantée sur la rive droite du Loing, sur le territoire de la Commune de Chalette (Loiret). — Station gérée par la Société Lyonnaise des Eaux et de l’Éclairage (SLEE). — Maître d’œuvre : District Urbain de MONTARGIS. — Maître d’ouvrage : Direction Départementale de l'Equipement du Loiret. — Réseau d'assainissement : Séparatif. — Constructeur : Société DEGREMONT. — Capacité : 1ᵉʳ et 2ᵉ tranches : 15 000 éq. hab. chacune ; 3ᵉ tranche : 35 000 éq. hab. ; soit au total 65 000 éq. hab. — Dates de mise en service : 1ᵉʳ tranche : 1967 ; 2ᵉ tranche : 1970 ; 3ᵉ tranche : 1976. — Mode de traitement : biologique à boues actives pour les trois tranches.
Principales caractéristiques :
Décanteurs primaires diamètre : 13 m (1ᵉʳ et 2ᵉ tranches) ; 18 m (3ᵉ tranche) volume : 323 m³ (chacun) ; 634 m³ Bassins d’activation (Aéroaccélérateurs : turbines) volume : 242 m³ (chacun) ; 1 000 m³ Décanteurs secondaires diamètre : 14 m (chacun) ; 21 m volume : 446 m³ (chacun) ; 953 m³
Caractéristiques moyennes de l'effluent : MES ................. 300 mg/l DCO ................. 700 mg/l DBO₅ ............... 400 mg/l
Débit traité : Débit moyen ........ 400 m³/h Débit maximum ...... 500 m³/h Débit minimum ....... 200 m³/h
Le circuit des boues
L'ensemble constitué par les boues primaires et l'excès des boues secondaires est introduit dans deux digesteurs de 1 600 m³ unitaire. À la sortie, la déshydratation des boues s'effectue sur deux filtres rotatifs sous vide de 8 m² de surface filtrante unitaire.
Les résultats obtenus sur cette installation sont résumés comme suit :
Boues digérées : 60 g/l matière sèche (M.S.). Conditionnement : 134 kg de Chlorure Ferrique et 380 kg de chaux par tonne de matière sèche. La production du filtre est d'environ 17 kg M.S./m²/h, ce qui est correct pour un filtre de ce genre.
La réutilisation des déchets étant un problème à l'ordre du jour, la S.L.E.E. a entrepris, en collaboration avec des agriculteurs de la région de Montargis, une série d'expérimentations qui se poursuivent désormais depuis plusieurs années. L'intérêt de cette réutilisation pour l'agriculteur réside dans le fait que l'épandage régulier remédie à l'appauvrissement des sols en matières organiques. À ce jour la réduction des dépenses en engrais chimiques, notamment, finance largement les frais d'épandage.
Les services spécialisés de la SLEE ont pu constater que ces boues peuvent être appliquées avec succès à l'assolement comme fumure de fond (avant labour d'automne), sur chaumes de céréales (avant betterave, pomme de terre ou maïs).
L’emploi simultané de la chaux lors du conditionnement de la boue assure une bonne élimination des germes pathogènes que celle-ci pourrait contenir comme résidus d'épuration. De plus, le stockage prolongé à proximité des parcelles avant les labours réduit encore les risques de contamination qui deviennent alors pratiquement inexistants.
La valeur agronomique des boues de la Station de MONTARGIS résulte de l'analyse moyenne de leur composition :
Matières sèches .......... 21,6 % en poids Matières organiques ...... 42 % par rap. au M.S. N ........................ 19,4 ‰ P₂O₅ ..................... 2,5 ‰ K₂O ...................... 6,2 ‰ Cr ....................... 0,03 % CaO ...................... 9,2 %
Ces boues conditionnées au CHLORURE FERRIQUE et à la chaux sont conseillées de préférence pour fumer des sols acides.
Leur teneur en métaux lourds est inférieure à celle fixée dans la norme expérimentale AFNOR U 44-041 : les concentrations maximales admissibles sont indiquées entre parenthèses.
— Cuivre ................. 1 800 ppm (3 000) — Plomb .................. 450 ppm (—) — Manganèse ............. 280 ppm (—) — Zinc ................... 220 ppm (300) — Nickel ................. 30 ppm (—) — Cobalt ................. 18 ppm (—) — Cadmium ............... 13 ppm (15)
2. — A LA STATION D'EPURATION DE LA VILLE DE PONTARLIER (DOUBS)
Fiche technique de la Station :
Implantation : Située au nord de la commune de Doubs (banlieue de Pontarlier), au bord de la rivière le Doubs.
Capacité : 53 000 éq. hab.
Maître d’œuvre : Cabinet d’Étude Marc MERLIN, 6, rue Groslée — 69289 LYON — Cedex 1.
Maître d’ouvrage : Ville de Pontarlier.
Réseau mixte : unitaire pour Pontarlier, séparatif pour les communes rurales.
La Station reçoit les effluents de : — Ville de Pontarlier ; — SIVOM du Mont-d’Or et du lac Saint-Point ; — SIVOM de la région de Pontarlier.
Constructeur : OMNIUM D'ASSAINISSEMENT (O.D.A.).
Date de construction : 1974.
Date de mise en service : 1976.
Mode de traitement : traitement biologique, avec possibilité d’effectuer un traitement physico-chimique primaire.
Schéma de la station : — dégrillage ; — poste de relèvement ; — bassin de pluie, circulaire raclé, d’un diamètre de 47 m. Sa vidange s’effectue gravitairement. Le soutirage des boues est effectué à l’aide d’une pompe refoulant en tête de dessableur ; — dessableur tangentiel ; — clarifloculateur : diamètre 35 m, volume 2 100 m³, fonctionnant actuellement en simple décanteur primaire ; — bassin d’aération : comportant 6 compartiments en série, d’un volume total de 3 200 m³ ; — décanteur secondaire : diamètre 37 m, volume 2 700 m³.
Fonctionnement de la station : le schéma de cette station est classique avec cependant deux particularités intéressantes : — la présence d’un bassin de pluie permettant de stocker et pré-décanter les eaux arrivant lors des grosses pluies ou orages ; — la possibilité d’un traitement physico-chimique primaire avec le chlorure ferrique si le rendement du traitement biologique s’abaisse, soit du fait des conditions climatiques rigoureuses en hiver, soit du fait d’arrivée intempestive d’effluents industriels nocifs.
Caractéristiques moyennes des effluents : MES 220 mg/l — DCO 130 mg/l — DBO₅ 140 mg/l (en tenant compte de la reprise régulière de matières de vidange)
Débits traités : — débit journalier : 10 000 à 41 000 m³ — débit moyen sur 24 h : 450 m³/h — débit moyen sur 12 h : 700 à 800 m³/h — débit maximum à traiter par temps de pluie : 1 500-1 600 m³/h
Le circuit des boues
Les boues fraîches à traiter comprennent : — les boues primaires, — les boues en excès de l’épuration biologique.
Elles sont refoulées dans un épaississeur de 340 m³.
L’installation de déshydratation est constituée par un filtre-presse à marche automatique : — nombre de plateaux : 75, — surface filtrante : 72 m², — capacité du filtre : 1 500 l.
Les boues soutirées de l’épaississeur, à l’aide d’une pompe volumétrique à débit variable, sont refoulées dans un décanteur comprenant deux bacs équipés de turbomélangeurs permettant d’introduire successivement le chlorure ferrique et la chaux.
Caractéristiques moyennes des boues avant conditionnement : Boues fraîches : 1,3-1,4 g/l MS — Boues épaissies : 6 à 8 g/l MS Matières organiques : 60 % — Matières minérales : 40 % — pH : 6-6,20
Conditionnement de la boue épaissie : Chlorure ferrique (solution commerciale à 41 % de FeCl₃) : 180 kg Chaux (70 % CaO) : 257 kg par tonne de M.S. sortante
Durée du cycle de filtration : 1 h 30 — chaque cycle traite 6 à 9 m³ de boue épaissie. Gâteau obtenu : 37 à 40 % M.S. Production du filtre : 5 à 6 kg M.S./m³/heure.
Utilisation des boues
En collaboration avec la Chambre d’Agriculture du Doubs, la Ville de Pontarlier a fait un très gros effort pour promouvoir l’usage agricole de ses boues. Les analyses montrent un intérêt certain comme engrais organique et des teneurs en métaux lourds conformes à la norme AFNOR U 44-041.
— Matières sèches : 400 kg/t — Azote : 40 kg/t — Acide phosphorique : 10 kg/t — Potasse : 3 kg/t — Chaux : 130 kg/t — Zinc : 575 ppm — Cuivre : 575 ppm — Mercure : 0,05 ppm — Plomb : 1,2 ppm — Chrome : < 0,02 ppm — Nickel : < 0,1 ppm
3. — A LA STATION D’EPURATION DE LA VILLE DE LIMOGES (Haute-Vienne)
Fiche technique de la Station :
Implantation : située sur la rive gauche de la Vienne, en aval de l’agglomération.
Capacité : 180 000 éq. hab. en deux tranches identiques de 90 000 éq. hab.
Maître d’ouvrage : 1ʳᵉ tranche : la S.E.L. pour la Ville de Limoges, sous la direction technique et le contrôle des Ponts et Chaussées de la Haute-Vienne ; 2ᵉ tranche : Ville de Limoges.
Direction technique des travaux : Service d’Assainissement de la Ville.
Réseau d’assainissement : partiellement unitaire et séparatif, notamment pour les portions de réseaux soumises à un relèvement.
Constructeur : Société DEGREMONT — OMNIUM D’ASSAINISSEMENT (O.D.A.) conjointes.
Dates de construction : 1ʳᵉ tranche 1967-1969 — 2ᵉ tranche 1972-1975.
Dates de mise en service : 1ʳᵉ tranche 1968 — 2ᵉ tranche 1976.
Mode de traitement : biologique à boues activées pour les deux tranches.
Schéma de la Station : le schéma ci-après indique le mode de fonctionnement et les caractéristiques générales.
Fonctionnement de la Station : après dégrillage classique et décantation primaire, l’effluent est traité par voie biologique selon le système de boues activées, suivi d’une décantation secondaire. Avant rejet, l’effluent est stérilisé en permanence au chlore gazeux dans deux bassins de contact.
Caractéristiques moyennes de l’effluent : DBO₅ 205 mg/l — DCO 450 mg/l — MES 260 mg/l
Débits traités : 30 000 m³/j en période sèche — 50-55 000 m³/j en période pluvieuse
Le circuit des boues
Les boues, après élutriation, épaississement et digestion, peuvent être filtrées soit sur filtre rotatif
NOTE : Quantité d’eau traitée par jour : 23 000 m³ (soit pour 300 000 habitants)
Sous vide type « KOMLINE », transformé en filtre à toiles, soit sur tour Guva (filtre à bande pressurisée verticale).
Le filtre sous vide a une surface filtrante de 34,5 m². La tour Guva a une surface filtrante de 23 m². Les teneurs moyennes en M.S. des boues sont : Boues fraîches : 46 g/l M.S. Boues dégradées : 42 g/l M.S.
Conditionnement
Dans les deux cas, le conditionnement des boues s’effectue à l’aide du CHLORURE FERRIQUE et de chaux.
Pour le filtre rotatif
CHLORURE FERRIQUE (solution commerciale) : 70 kg/t M.S. entraînée à 41 % de FeCl₃ Chaux : 100 kg/t M.S. entraînée
Pour la tour Guva
CHLORURE FERRIQUE : 76,7 kg/t M.S. entraînée Chaux (65 % CaO) : 240 kg/t M.S. entraînée
Les siccités du gâteau sont de 18 % de M.S. sur le filtre sous vide et de 28 % M.S. sur la tour Guva.
À noter que la tour Guva peut être alimentée soit en boues fraîches, soit en boues dégradées. Les difficultés rencontrées pour valoriser ces boues en agriculture ont incité en effet la ville de Limoges à les éliminer par l’incinération.
L’installation d’incinération, procédé IBISCO, a été construite par la SOCEA ; elle a une capacité de 3,7 t/h de boues à 82 % d’humidité, taux optimum pour l’injection des boues dans le four. C’est pour cette raison que le taux de M.S. est maintenu à 18 % en sortie du filtre rotatif.
Le traitement des fumées a été élaboré et le rejet dans l’atmosphère se caractérise par les taux suivants :
| Poussières : | 0,3 g/Nm³ |
|---|---|
| CO₂ : | 3,7 % |
| CO : | 0,1 % |
| SO₂ : | 0,7 % |
L’incinérateur est alimenté en surrégénérant par des huiles usées (huile de garage) et de processus industriels ; pour utilisation partielle de méthane provenant de la digestion, un peu de fioul lourd fait l’appoint si besoin est.
Les cendres dont la composition est :
| Matières organiques : | 4,9 % |
|---|---|
| Insolubles : | 2,9 % |
| CaCO₃ : | 76,16 % |
| MgO : | 2,6 % |
| Fe₂O₃ : | 9,65 % |
| MnO₂ : | 1,17 % |
sont intégralement utilisées par un fabricant de tuiles de la région.
CONCLUSION
Les trois exemples cités dans ce bref aperçu sur le conditionnement des boues urbaines à l’aide du CHLORURE FERRIQUE montrent que ce floculant, qui depuis de nombreuses années est sur le marché, est toujours d’actualité comme aide à la dépollution.
Son champ d’action est vaste, car on peut l’utiliser dans la plupart des types d’appareils de déshydratation mécanique (filtre rotatif, filtre-presse, filtre à bandes pressurisées verticales). Il devrait aussi être possible de l’utiliser sur les filtres à bandes pressurisables verticales, ce que nous nous proposons de vérifier dès qu’une opportunité se présentera.
Le CHLORURE FERRIQUE, produit liquide facile à mettre en œuvre, permet d’obtenir, associé à la chaux, des boues stabilisées et désodorisées, pratiquement exemptes de germes pathogènes. Leur valorisation en agriculture est facilitée lorsque la faible siccité ne pose pas de problème, et cela reste la manière élégante d’éliminer les boues à court ou moyen terme. Les deux stations d’épuration de Limoges et Pontarlier sont particulièrement représentatives à ce point de vue.
Même dans les cas où, pour diverses raisons, l’incinération a été retenue, le conditionnement avec le CHLORURE FERRIQUE peut être adopté, comme c’est le cas pour la station de Limoges, où l’utilisation d’huiles récupérées comme source d’énergie permet d’une part d’éviter une pollution difficile, et d’autre part de réaliser une économie d’énergie. Dans ce cas, même les cendres trouvent leur utilisation.
Remerciements :
Nous remercions, d’une part les constructeurs Dégremont et COBA, ainsi que l’exploitation de la Société Lyonnaise des Eaux et de l’Éclairage, et d’autre part les Services Techniques Municipaux des villes de Pontarlier et Limoges pour les informations qu’ils ont bien voulu nous communiquer, avec l’autorisation de nous y référer.
J. Colas — D. Arditti.
Références bibliographiques
1) R. Nivel : « Traitement des eaux par floculation, adoucissement et coagulation », Ind. Chim. Belge, mai 1967.
2) Association Internationale pour l’Étude des Boues Résiduaires : « Rapport sur la déshydratation des boues », Genève, 1971.
3) U.S. Environmental Protection Agency : « Process Design Manual for Sludge Treatment and Disposal », décembre 1971.
4) M. Blanc, M. Lalazissis : « Réduction du volume des boues par stabilisation et déshydratation », Aqua n° 5, 1973.
5) C.I.H. : « Application de Liméo, information », C.I.H., L’Haÿ-les-Roses, 1974.
