CONCLUSION
L’épuration biologique des eaux usées urbaines n’offre pas de difficultés majeures, les techniques modernes étant bien maîtrisées. Par contre, l’élimination des déchets résultant de cette épuration pose et pose encore un problème crucial. Les Services Techniques de la Ville de Paris ont résolu en grande partie cet accroc par l’importance qu’ils ont toujours su imposer à l’étape préalable à tout traitement des boues sur une station d’épuration d’Achères : pour des raisons de sécurité sur le plan de l’hygiène et de l’exploitation, l’impérieuse nécessité de prévoir une « digestion des boues ».
La concentration des boues obtenues après clarification d’une eau chargée est généralement peu élevée quelle que soit la nature des produits et quel que soit le mode de séparation utilisé :
- — décantation, avec ou sans lit de boue ;
- — flottation ;
- — filtration.
Ces boues sont toujours liquides et uniquement manipulables par transport hydraulique. En fait, elles présentent des difficultés insurmontables aux autres moyens de manutention qui, tous, nécessitent une réduction de volume et un changement de structure de la boue. Celle-ci doit alors être « pelletable ».
L’élimination de ces mêmes boues, leur rejet dans le milieu naturel, leur réutilisation ou leur valorisation impliquent là encore une déshydratation plus ou moins poussée pour aboutir à une solution techniquement et économiquement valable. Différents procédés sont mis en pratique pour accroître la concentration des boues depuis le simple épaississement par décantation naturelle jusqu’à la filtration sous pression et l’évaporation.
Il faut offrir aux utilisateurs les systèmes parfaitement adaptés à leurs besoins réels tant au niveau de la concentration que de la complexité du traitement. Une concentration trop faible obtenue par des procédés limités sera souvent insuffisante alors qu’une concentration élevée obtenue au prix d’un traitement complexe sera trop onéreuse, voire inutile.
Les besoins décelés dans l’industrie minérale nous ont conduits à rechercher des solutions nouvelles de compactage utilisant au mieux les connaissances acquises sur les phénomènes de floculation. Au lieu d’obtenir une solidification de la boue en une seule étape, nous avons cherché à rendre la boue pâteuse ou pseudo-liquide afin de permettre encore son épandage hydraulique, tandis que l’état physique des boues floculées devient tel qu’il permet une mise en stock hors d’eau et une solidification définitive en un temps relativement court.
Partant des techniques de compactage ainsi mises au point et décrites ci-après, nous avons complété le traitement par une phase d’essorage du produit compacté dans un système vis/grille. Ce système s’est avéré très adapté à la déshydratation mécanique des boues fibreuses et a reçu de nombreuses applications dans l’industrie papetière et l’industrie des fibres minérales.
La mise en œuvre des mêmes processus appliqués aux boues biologiques a permis, moyennant certaines adaptations, d’offrir un système simple de déshydratation mécanique de ce dernier type de boue. Ce système est particulièrement bien adapté aux stations d’épuration industrielles ou urbaines de petites et moyennes capacités.
Les exemples qui suivent montrent dans différents domaines l’intérêt que peut présenter une telle approche qui vise, à partir des processus simples mais correctement centralisés, à offrir aux utilisateurs des appareillages techniquement et économiquement bien adaptés.
CHAPITRE I
INDUSTRIE MINÉRALE :
OBTENTION DE BOUE PSEUDO-SOLIDE
1.1. Le Compactage des boues par procédé Tasster.
Les nombreuses études entreprises sur la floculation au cours de la mise au point des clarificateurs rapides, nous ont montré l'importance de certains facteurs sur la qualité mécanique des flocons, en particulier :
— le choix de la concentration d'entrée,
— le choix du ou des floculants utilisés et leur dosage,
— la méthodologie d'introduction de la solution floculante,
— l'action hydraulique judicieuse sur la structuration des flocons.
Grâce à la floculation étagée, il nous a été possible d'obtenir dans les décanteurs à lit de boue des flocons solides et de grande taille.
La structure physique des boues permettait alors de pousser encore la floculation et d'obtenir des masses de boues compactes pouvant supporter une action mécanique de compactage.
C'est grâce à la possibilité d'obtenir ce nouvel état physique des boues, que nous avons pu mettre au point le nouveau procédé de compactage des boues que nous allons décrire.
L'appareil de compactage présenté par la figure 1 est essentiellement constitué par un bac cylindrique avec fond conique.
Les boues à compacter sont introduites tangentiellement au corps cylindrique de l'appareil.
Elles reçoivent avant leur entrée une certaine quantité de floculant en vue d'augmenter la dimension des flocons et de les consolider.
Des pales en rotation lente poussent les masses de flocons ainsi préparées à une vitesse déterminée inférieure en tout point de l'appareil à la vitesse de cisaillement acceptable par les flocons. Les flocons se rapprochent les uns des autres et laissent s'échapper l'eau interstitielle.
La partie conique est équipée d'un dispositif engageur conique qui assure le raclage des boues devenues pâteuses et une poussée mécanique vers l'orifice d'extraction placé au bas du cône. Cette action mécanique permet de parfaire le tassement amorcé dans la partie cylindrique et d'extraire les boues compactées.
La boue est extraite au bas de l'appareil par une pompe volumétrique sous forme pâteuse ou pseudo-solide, comme le montre la figure 2.
L'eau clarifiée émergeant des boues concentrées surverse par le haut de l'appareil pour être recyclée ou rejetée.
La concentration des boues compactées obtenue est surtout fonction de la nature des matières solides contenues.
Avec des argiles silico-calcaires, ou des schistes et calcaires fins issus d'un broyage, la concentration en solides peut atteindre 60 à 65 % en poids/poids.
Pour des schlamms de charbon, cette concentration est voisine de 50 %. Elle est de 30 à 40 % pour des schlamms issus de lavage de phosphates.
En fait, la concentration atteinte est surtout fonction des caractères rhéologiques des boues compactées. Comme le montre le graphique de la figure 3, on voit que le taux de cisaillement de la boue croît de façon très importante lorsque la boue passe de la forme plastique à la forme pseudo-solide.
Ce passage se fait pour une faible variation de la concentration, mais à des valeurs différentes suivant la nature des matières solides.
L'appareil pourrait dans certains cas produire des boues pseudo-solides qui ne seraient plus pompables. Aussi les boues sont-elles extraites lorsque le taux de cisaillement est compris entre 1 000 et 3 000 dynes/cm², taux limite de pompage des pompes volumétriques permettant une mise en stock la plus économique.
La consommation d'énergie est presque insignifiante soit 0,6 kW à la tonne. L'entretien du matériel est très faible, limité à la pompe d'extraction des boues et adapté à une exploitation avec un minimum de personnel.
1.2. Stockage des boues en bassins avec évacuation par camion.
Les boues pâteuses produites sont envoyées dans des bassins entourés de petites digues en terre ou de murs en béton.
La figure 4 montre une installation de clarification de 400 m³/h d'eau avec compactage de quelques tonnes de matières sèches. On voit sur cette figure les deux appareils TASSTER de 1,8 m de diamètre, qui débitent la boue pâteuse dans deux bassins de stockage.
Chaque bassin de 7 m de large et 30 m de long permet le stockage de 500 m³ de boue solidifiée. Les boues suivent ensuite un rampement avec escaliers descendant une pente de 10 % sur la longueur.
La figure 5 montre un bassin rempli de boue solidifiée, prête à être évacuée.
Cette solution présentée avec stockage en bassins de volume élevé exige l'évacuation par camion, donc l'augmentation du prix de revient de la tonne de boues pour de faibles volumes (taux volumétriques élevés).
La solution est acceptable pour de faibles tonnages, mais elle devient onéreuse si l'exploitation doit produire des quantités plus importantes, de plusieurs dizaines de tonnes/heure. Dans ce cas, on peut recourir à l'épandage hydraulique.
Si l'exploitant a la possibilité d'organiser la mise en stock avec solidification de la boue sur le site, après transport hydraulique de la matière.
Cette méthode d'exploitation remplace la méthode traditionnelle de stockage des boues sous eau.
Dans cet ensemble l'usine traite 350 t/h de calcaire et doit évacuer 50 à 60 t/h d'argile et de fines silico-calcaires issues du traitement.
Le bassin de stockage initialement utilisé, fermé dans sa partie la plus profonde par une digue en terre d'une dizaine de mètres de hauteur, fut rempli en trois ans.
L'exploitant, qui disposait de 14 ha pour réaliser de nouveaux bassins, a comparé par une étude approfondie les solutions possibles : stockage sous eau et stockage hors d'eau avec compactage des boues.
Du fait de l'exiguïté du terrain et de la section des digues pour une hauteur maximum de 12 m, le stockage sous eau permettait une production de l'ordre de 20 années de production. Le stockage hors d'eau permettrait le stockage en 8 ans de production.
La figure 6 montre de façon schématique la solution.
technique réalisée. Les boues issues des eaux de la laverie sont pompées et refoulées en conduite jusqu'à la station de compactage des boues.
La station de compactage comprend 5 TASSTER de 2,80 m de diamètre qui refoulent la boue épaissie vers trois points de rejets possibles. Le terrain d'épandage est entouré de digues de guidage.
La pente de ces digues est de 10 % environ et le terrain a une pente descendante à partir de la butte de 1 à 2 %.
CHAPITRE II
COMPACTAGE-ESSORAGE DES BOUES MIXTES :FIBRES + CHARGES DIVERSES
II.1. Principe de fonctionnement.
L'appareil que nous venons de décrire a été par ailleurs perfectionné pour le compactage des boues contenant des matières fibreuses telles que amiante, cellulose, fibre de verre ou de céramique. La structure acquise par la boue épaissie permet de parfaire son essorage dans un système vis/grille ; la boue devient pelletable et peut même, dans certains cas, être fortement pressée de telle sorte que des siccités élevées peuvent être obtenues : 40 % à 80 %.
La phase d'épaississement/floculation joue généralement un rôle prépondérant car ces boues contiennent, outre les fibres longues, des fibres très courtes qui doivent être captées ainsi que des charges diverses minérales ou organiques. À son introduction dans le système vis/grille, le matériau doit présenter une filtrabilité suffisante pour amorcer la phase d'essorage.
Ce nouvel appareil TASSTER F est identique au précédent quant aux dispositifs permettant de rendre la boue pâteuse, mais il comporte, à la place de la pompe d'extraction, le dispositif d'essorage. Ce dernier est constitué d'une vis d'extraction qui pousse la boue pâteuse dans la chambre de filtration munie d'une grille filtrante, d'un clapet de sortie (fig. 7).
Nous citons ci-après quatre exemples d'application :
II.2. Fibres de verre : essorage pour rejet des boues.
Il s'agissait de vidanger le bassin de décantation d'une usine de fabrication de fibre de verre. Les grosses fibres étaient éliminées ailleurs, en continu, des effluents par un système de grille vibrante.
Les fibres courtes et les résines phénoliques polymérisées décantent et sont recueillies au fond d'un bassin de 300 m³. La présence des résines phénoliques interdit leur rejet dans le milieu naturel.
Les boues doivent être compactées avant d'être envoyées à un incinérateur.
Après reprise par aspiration, les boues étaient envoyées dans un appareil TASSTER F. La siccité du matériau compacté atteignait 80 %.
Une installation analogue existe sur des fibres céramiques traitant cette fois-ci directement des eaux de vidange de cuvier à 10 g/l. La siccité des solides obtenus est de 60 %.
II.3. Traitement des refus d'épurateur.
Les refus d'épurateurs cyclones peuvent être inclus des circuits de couches nobles et non des couches inférieures, dans la plupart des cas. Si, pour des machines multicouches de papeteries, le recyclage est impossible, les matières doivent être éliminées.
Ces refus représentent une part importante de la pollution en MES et en MPS. Ils contiennent 10 % à 15 % de fibres, des charges et des impuretés diverses. On doit éviter de les diriger vers la station de traitement des effluents généraux, sinon cela empêcherait le recyclage éventuel des boues de station vers la fabrication de papier.
Diverses solutions ont été adoptées dans de nombreuses usines : traitement séparé de ces refus par compactage avec plusieurs TASSTER F ou traitement de compactage-essorage dans un appareil commun aux autres boues de la station lorsque celles-ci sont rejetées lors des fins de fabrication.
Les refus d'épurateur posent des problèmes de résistance à l'abrasion dont on a dû tenir compte dans la conception des appareils. La siccité obtenue atteint 50 % à 60 % malgré la faible quantité de fibres présente.
II.4. Traitement des effluents de lavage de diaphragmes en amiante. Compactage-essorage des boues.
Dans l'industrie de la fabrication du chlore par cellules à diaphragme, les diaphragmes en amiante sont régulièrement débâtis puis reconstitués. Cette opération donne lieu à un effluent périodique fortement chargé en fibres d'amiante (2 à 10 g/l) et contenant en outre des charges diverses (graphite, hydroxydes…).
Ces effluents sont recueillis dans un bassin, où les matières solides sont maintenues en suspension, puis pompés dans un ou plusieurs appareils TASSTER F. L'addition d'un floculant permet d'obtenir un rendement de captation intéressant pour les fibres courtes. La surverse contient 5 à 10 ppm seulement de fibres d'amiante.
Les boues épaissies passent dans le système d'essorage et sont recueillies sous forme de mottes solides (70-80 % de siccité) qui se durcissent rapidement et peuvent être immédiatement déposées en décharge (en sacs plastiques si nécessaire).
CHAPITRE III
BOUES ORGANIQUES : COMPACTAGE-ESSORAGE DES BOUES PRODUITES PAR LES STATIONS D'ÉPURATION
III.1. Principe de fonctionnement de l'appareil.
Sur les boues organiques issues de station d'épuration biologique ou de traitements physico-chimiques, une floculation correctement conduite permet d'obtenir des filtrabilités suffisantes après épaississement pour permettre un essorage ménagé dans le système vis/grille. La boue passe alors à l'état pelletable et peut être reprise à la fourche ou dans des épandeurs à fumier. La siccité obtenue varie considérablement selon la nature de la boue.
L'appareil TASSTER F décrit précédemment a été utilisé pour tenir compte des caractéristiques particulières de ces boues. Le nouvel appareil, le TASSTER U, possède donc un système vis/grille bien défini. Notons en particulier la finesse et l'état de propreté suffisant, un système de contrôle imposant des efforts limités à la boue, une injection éventuelle différée de polyélectrolyte, etc.
L'eau de grille reste chargée et doit être recyclée.La surverse est claire. Elle représente 80 à 90 % du débit.
Le schéma de fonctionnement est donc analogue à celui du TASSTER F (fig. 7). Un appareil TASSTER U est susceptible de traiter 80 à 100 kg/h de matières sèches.
III.2. Application aux stations d'épuration de petite et moyenne capacité.
La simplicité de l'appareil, son faible coût et sa facilité de mise en œuvre nous ont conduits à le proposer en priorité aux petites et moyennes stations d'épuration pour lesquelles il s'est avéré tout à fait adapté.
Dans ce type de station traitant des effluents jusqu'à 20 000 équivalents-habitants environ, la part de personnel qui peut être consacrée à l'exploitation et à l'entretien de la station est très faible.
Si certaines stations ont su trouver un débouché pour la boue liquide légèrement épaissie en silo, la plupart des communautés concernées se heurtent à de grosses difficultés pour assurer l'écoulement de la boue. En effet, la boue liquide permet un épandage hydraulique assez facile mais présente certains inconvénients qui rendent parfois son épandage non souhaitable :
- a) Les volumes à transporter sont importants, nécessitant donc de nombreux voyages de la tonne à lisier ;
- b) Il y a en même temps apport d'eau et de fertilisant. Pendant la saison froide ou humide cet apport d'eau n'est pas toujours intéressant, voire nuisible. La forme liquide, diluée, empêche le stockage pour utilisation en saison chaude ;
- c) Les odeurs.
Diverses méthodes de déshydratation ont été utilisées sur les petites et moyennes stations d'épuration : lits de séchage, bennes équipées de tissu filtrant, centrifugeuses. Ces dispositifs, satisfaisants dans certains cas, conduisent à des boues diluées ou à des volumes nécessaires considérables selon la saison ou la latitude.
Le système TASSTER U paraissant particulièrement adapté à ce type de station, nous avons bâti autour de cet appareil un ensemble de traitement des boues répondant aux critères suivants :
- a) Obtenir une boue pelletable en une seule étape de traitement ;
- b) Prélèvement de la boue directement dans le décanteur ou le digesteur. Le silo de stockage devient alors inutile. La sécurité de fonctionnement est garantie grâce à la capacité de stockage de la station d'épuration elle-même dont la concentration en MES peut augmenter sans nuire à l'épuration.
11.3. Compactage - essorage des boues résiduaires
Exemples d’utilisation
d) Utilisation d’un réactif unique (polyélectrolyte en général) qui n’exclut pas l’emploi de chaux et de floculant si l’utilisation de ces produits s’avère souhaitable dans certains cas particuliers.
e) Mise en œuvre simplifiée : arrêt et mise en route immédiats ; pas d’eau de lavage.
Le schéma (fig. 8) indique les différentes possibilités d’implantation de l’appareil. Le système a été éprouvé sur de nombreuses stations d’épuration. Les principales siccités obtenues sont données sur le tableau ci-contre.
Des tests sur site nous permettent de caractériser avec précision la boue, de préconiser l’appareil et d’en déterminer les performances. Deux exemples d’installation sont présentés brièvement.
a) Station d’épuration recevant les effluents d’un village et d’une fabrique de salaison (station à faible charge). Boue produite : 600 kg/j de matières sèches à 30 mg l⁻¹. La boue est prélevée dans le décanteur ou dans le silo de stockage. Siccité obtenue : 15 %. Boue stockée en décharge ou épandue.
b) Station d’épuration recevant les effluents d’une usine de fabrication de plats cuisinés. Boue produite : 30 m³/semaine à 15 g l⁻¹ de matières sèches. La boue est prélevée dans un silo de stockage mélangeur. Siccité obtenue : 15 %. Les boues sont mises en décharge.
III.3. Compactage – essorage des boues de latex
L’exemple cité concerne une usine de fabrication de latex naturel. Les effluents de l’usine, contenant du latex et diverses charges, sont réceptionnés dans une cuve tampon agitée où sont recyclées les boues d’hydroxyde d’aluminium résultant d’un traitement de floculation-décantation. Les boues résiduelles, à 50 g l⁻¹ en moyenne, contenant le latex, les hydroxydes et les charges, ont été compactées et essorées en TASSER U. Moyennant une addition de polyélectrolyte, l’épaississement peut être effectué et la boue acquiert une filtrabilité suffisante pour être essorée et pressée.
On obtient des mottes dures, ne relarguant plus de liquide, à 45 % de siccité.
J. Serpaud – P. Lejeune Y. Maurin – M. Pelletier K. Ghaleb
TROIS EXEMPLES D’APPLICATIONDU CHLORURE FERRIQUE AU CONDITIONNEMENTET À LA VALORISATION DES BOUESRÉSIDUAIRES URBAINES
par J.-L. Colas et D. Arditti Centre d’Application de Levallois P.C.U.K.
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, dès 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.
Cette application « particulière » est devenue aujourd’hui l’application « principale » du chlorure ferrique en France, mais on peut signaler de nouveaux secteurs d’emploi, notamment :
- traitement physico-chimique ;
- traitement de déphosphatation simultanée ou tertiaire ;
- pré-traitement d’effluents de stations biologiques surchargées.
L’hydrogène dégagé favorise l’élimination de certaines impuretés (arsenic, par exemple) sous forme d’hydrures gazeux.
Au sujet de ce procédé, il est utile de rappeler que la majeure partie de l’acide chlorhydrique employé provient de la reprise d’acide ayant servi aux opérations de décapage, contribuant ainsi à éviter une pollution saline et à réaliser un recyclage de matière première. Les réactions chimiques mises en œuvre étant fortement exothermiques, l’énergie nécessaire pour fabriquer le produit est finalement presque nulle.
Caractéristiques du chlorure ferrique
Le chlorure ferrique est commercialisé par P.C.U.K. exclusivement sous forme de solution à 41 % de FeCl₃.
Les spécifications de la qualité « B », spécialement réservée pour le conditionnement des boues, sont :
- masse volumique à 20 °C > 1,43 ;
- FeCl₃ % en masse : 41 minimum.
Certaines impuretés sont présentes dans le produit, 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.
Fabrication du chlorure ferrique
P.C.U.K. possède deux unités de production, l’une à Loos près de Lille, l’autre à L’Estaque près de Marseille. Le procédé classique consiste à oxyder par du chlore le fer ferreux obtenu :
(1) Fe + 2 HCl → FeCl₂ + H₂ (2) 2 FeCl₂ + Cl₂ → 2 FeCl₃
En nous servant des résultats obtenus dans trois stations-type, nous montrerons comment le conditionnement au chlorure ferrique favorise la déshydratation des boues urbaines.
