Cet article a pour objectif de présenter la nouvelle unité de déshydratation nommée Volute® au travers d'une description technique et de résultats d'essais d'exploitation réalisés sur la station de traitement des eaux usées de Châteauroux. Ce procédé qui permet de déshydrater directement des boues issues d'un bassin d'aération a été développé au Japon et compte aujourd'hui plus de 800 appareils en fonctionnement. Le Volute® est destiné aux petites et moyennes stations biologiques (de 1 000 à 50 000 EH) de traitement des effluents domestiques et industriels. Les essais ont eu pour but de vérifier les performances et d'évaluer l'ergonomie de l'appareil dans des conditions d'exploitation normales. L?utilisation de l'unité de déshydratation Volute sur le site de Châteauroux a confirmé les multiples intérêts de cet outil.
La station de Châteauroux se situe sur la rive gauche de l’Indre, dans le département du même nom.
Cette station biologique présente une capacité de 100 000 équivalent-habitants.
Les effluents sont composés à 60 % d’eaux résiduaires domestiques et à 40 % d’eaux industrielles (blanchisserie, fabrication de moquettes, fonderie…). La station traite annuellement environ 5 300 000 m³ d’eau.
La filière de traitement est composée des étapes suivantes : dégrillage, dessablage et dégraissage, bassin d’aération et clarification.
Les boues issues du bassin d’aération, d’une concentration de 2,5 à 4,5 g/L, sont dans un premier temps épaissies à 20-30 g/L par un épaississeur statique. Elles sont ensuite déshydratées jusqu’à 18-20 % de siccité par centrifugation. Le conditionnement des boues pour cette étape est assuré par l’ajout d’un polymère cationique à raison de 6 à 7 kg/t de matière sèche. Les boues sont finalement chaulées pour…
L’unité de déshydratation est équipée d’une armoire électrique indépendante permettant de régler les paramètres de fonctionnement. Cette armoire est équipée d’un minuteur contrôlant le fonctionnement de l’unité en automatique sur 24 heures.
Ce procédé présente les avantages suivants :
> Déshydratation directe de boues liquides d’un bassin d’aération de 16 à 20 (± 2) points de siccité ; > Tambour filtrant autonettoyant incolmatable (pas de rétrolavage) ; > Fonctionnement totalement automatisé permettant au déshydrateur de fonctionner en totale autonomie 24 h/24 h et 7 jours/7 ; > Facilité d’intégration : – Unité compacte et légère ; – Faible puissance installée ; > Simplicité d’utilisation : – Contrôle visuel du déroulement du processus (formation du floc, qualité des filtrats, déchargement du gâteau) ; – Facilité de réglage des paramètres de fonctionnement ; – Facilité d’arrêt et redémarrage sans intervention humaine ; – Opérations de surveillance réduites au strict minimum ; > Faible consommation énergétique ; > Rendement sur MES > 95 % ; > Vitesse faible de rotation des vis, équipement silencieux et sans nuisance vibratoire.
Installation du Volute sur le site
Description de l’installation
L’ensemble de cet équipement a été installé à l’intérieur du local de l’atelier boue de la station dans le courant du mois de décembre 2003.
Présentation de l’unité de déshydratation
L’originalité du Volute® réside dans la technologie de son tambour filtrant composé d’une succession d’anneaux plats fixes et d’anneaux plats mobiles permettant une filtration contrôlée des boues (cf. figure 1). La rotation de la vis engendre un mouvement des anneaux mobiles entre les anneaux fixes. Ce mouvement nettoie en permanence le tambour et prévient tout risque de colmatage. Le tambour est composé de deux zones permettant au Volute de réaliser l’épaississement et la déshydratation de boues très peu concentrées. Les espaces entre les anneaux se rétrécissent de la zone d’épaississement à la zone de déshydratation. Parallèlement, le pas de la vis se raccourcit, augmentant ainsi la pression de déshydratation proportionnellement à la diminution de volume. Finalement, une butée réglable placée à l’extrémité des tambours permet d’ajuster la pression exercée sur les boues en fonction de la siccité désirée.
Principe général de fonctionnement du déshydrateur
L’appareil (cf. figure 2) est équipé d’une cuve tampon (2) dont les niveaux haut et bas commandent l’arrivée des boues du bassin d’aération (1). Cette cuve, agitée par une pompe immergée, permet l’ajout éventuel d’un coagulant inorganique. Une seconde pompe immergée relève les boues vers une cuve de régulation du débit (3). Cette cuve équipée d’un déversoir en V à 90° et d’un trop-plein à vis réglable manuellement permet d’obtenir le débit de boue désiré. Les boues sont ensuite floculées dans un réacteur agité (4) avant leur passage dans les tambours de déshydratation (5). Les filtrats de la zone d’épaississement, très clairs, sont renvoyés en tête de station tandis que les filtrats de la zone de déshydratation retournent gravitairement dans la cuve à boue. Le gâteau (6) récupéré à l’extrémité des tambours peut ensuite être stocké ou dirigé vers un traitement complémentaire.
Caractéristiques générales du modèle Volute® EC 202
| Modèle : | Volute-D 202 |
|---|---|
| Débit (kg MS/h) : | 12* – 30** |
| Dimensions (mm) : | Long. 2490 | Larg. 1170 | Haut. 1730 |
| Vis : | Ø 200 × 2 |
| Consommation d’énergie (kW) : | 1,45 |
| Poids (kg) : | 850 (à vide) | 1800 (en marche) |
Le débit dépend de la concentration de la boue à déshydrater et de la siccité désirée.
* = boues difficiles à déshydrater et très diluées (2 %)
** = boues faciles à déshydrater et concentrées (25 %)
Le modèle installé ne traite qu’une partie des boues produites sur la station.
Tableau 2 : Récapitulatif des essais et des résultats
| Date | Conc. boue B.A. (g/ℓ) | Q boue (m³/h) | Q boue (kg MS/h) | Taux polymère (kg produit actif / t de MS) | Taux FeCl₃ (% / MS) | Siccité des boues déshydratées en sortie de Volute® |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Du 23/02 au 11/03/04 | de 3,50 à 4,20 | entre 4,60 et 6 | entre 17 et 25 | entre 3 et 6,5 | – | entre 14 et 16 points de siccité |
| (Arrêt total de la machine entre ces deux dates) | ||||||
| 18/03/04 | 3,70 | 4,60 | 17 | 6,5 | 8 % | entre 16 et 17 points de siccité |
| (Arrêt total de la machine entre ces deux dates) | ||||||
| 07/04/04 | 3,70 | 4,60 | 17 | 6 | 15 % | entre 18 et 20 points de siccité |
Les boues sont prélevées directement du bassin d’aération. Leur concentration varie de 2,5 à 4,5 grammes par litre. Le raccordement hydraulique au bassin d’aération a nécessité l’utilisation d’un tuyau souple, sur une longueur de 200 mètres environ. Une pompe à vis excentrée soutire et achemine les boues du bassin au déshydrateur. Les boues déshydratées en sortie du Volute® sont récupérées par une vis sans fin et sont renvoyées avec les filtrats de la zone d’épaississement en tête de station, étant donné l’impossibilité d’acheminer ces boues au 1er étage de l’atelier où se trouve le poste de chaulage.
Déroulement des essais
Un compteur horaire situé sur l’armoire de commande permet de relever le temps de fonctionnement de l’unité de déshydratation.
Essais avec conditionnement au polymère seul
Du 23 février au 11 mars 2004, le Volute® a fonctionné pendant la semaine 24 h/24 et a été arrêté pendant le week-end. Durant cette période, les boues ont été conditionnées uniquement avec du polymère. Le polymère utilisé est du polymère cationique liquide. La solution commerciale possède 40 % de produit actif. Cette solution est diluée jusqu’à obtenir une solution à 2 grammes de polymère par litre qui est ensuite mélangée avec les boues.
Les doses de polymère appliquées ont varié entre 3 et 6,5 kilogrammes de produit actif par tonne de matière sèche. L’ajustement de ce taux de traitement se fait grâce à une molette placée sur la pompe doseuse du polymère.
Le temps cumulé de fonctionnement du déshydrateur Volute® pendant cette période s’élève à 250 heures. Il a ensuite été arrêté entre le 11 et les essais de la journée du 18 mars ainsi qu’entre le 18 mars et les essais du 7 avril afin de tester…
Le Volute-D à deux tambours.
Sa remise en fonctionnement après un temps d’arrêt important.
Essais avec conditionnement polymère et chlorure ferrique
Nous avons par la suite réalisé deux séries d’essais en complétant le traitement avec du chlorure ferrique. Le chlorure ferrique utilisé dans ces séries d’essais est une solution industrielle classique à 40 %.
Lors du premier essai en date du 18 mars 2004, nous avons ajouté 8 % de chlorure ferrique pur par rapport aux matières sèches. Cette dose de chlorure ferrique doit permettre de gagner 1 ou 2 points de siccité par rapport à un conditionnement au polymère seul. Lors de l’essai du 7 avril 2004, nous avons dosé le chlorure ferrique à 15 %, qui est la dose recommandée pour atteindre les meilleures performances du Volute® en terme de siccité (cf. tableau 2).
Analyses des résultats
Performances
Les essais réalisés entre le 23 février et le 11 mars ont permis de vérifier le fonctionnement général du Volute®. Les débits de boues testés de 17 à 25 kg de matière sèche par heure se situent dans les valeurs communément admises par l’appareil, de 12 à 30 kg de MS par heure.
Les performances du Volute® en terme de siccité finale des boues correspondent à celles attendues pour des boues biologiques urbaines avec un conditionnement uniquement au polymère, à savoir entre 14 et 16 points de siccité. Plusieurs doses de polymère ont été testées, de 3 à 6,5 kg de produit actif par tonne de matière sèche. Il ressort qu’à partir de 5 kg de produit actif par tonne de matière sèche l’augmentation de la dose n’améliore pas sensiblement la qualité de la déshydratation pour les boues de cette station.
Les essais du 18 mars et du 7 avril, au cours desquels le conditionnement a été complété par chlorure ferrique, ont montré une amélioration de la déshydratation. Ce coagulant inorganique injecté en amont du polymère, au niveau de la cuve à boue, a pour rôle d’améliorer la qualité de la floculation. Le Volute® a ainsi déshydraté les boues entre 16 et 17 points de siccité lorsque 8 % (par rapport aux matières sèches) de chlorure ferrique a été ajouté et entre 18 et 20 points lorsque la dose atteignait 15 % de chlorure ferrique.
Lors de ces essais, l’augmentation de la dose de polymère n’a pas modifié la qualité finale de la boue déshydratée.
Exploitation
D’un point de vue de l’exploitation, aucune anomalie n’a été constatée au cours des 250 heures de fonctionnement de l’appareil. Pendant la période du 23 février au 11 mars, nous avons pu vérifier la fiabilité du Volute® en le laissant fonctionner 24 h/24 pendant les jours de semaine.
Concernant la supervision du fonctionnement du Volute®, elle n’a nécessité que très peu de temps, d’une à deux heures par semaine. Elle consiste à vidanger de leur boue l’extrémité des tambours (bouchon de 10 cm de long de boue à enlever du côté de la butée) et à vérifier visuellement que les différentes étapes du process se déroulent normalement : arrivée des boues, qualité de la floculation, qualité de l’épaississement (aspects des filtrats) et qualité des boues déshydratées. Le temps de séjour des boues au sein du Volute® étant très court, l’influence de l’ajustement des paramètres de fonctionnement (débit, dosage des réactifs, vitesse de rotation des vis, espacement des butées) est visible rapidement. Ainsi, dans le cas de modification de la qualité de boues, il est très rapide d’optimiser ces paramètres.
Les phases de redémarrage de l’unité de déshydratation se sont déroulées sans difficulté aussi bien après son arrêt pendant les week-ends qu’après une ou deux semaines. Les arrêts pendant les week-ends se sont faits sans vider les tambours de la boue contrairement à ceux plus longs afin d’éviter le risque de blocage de la vis après séchage de la boue.
Nous avons constaté que dans la demi-heure suivant le redémarrage, la déshydratation se faisait normalement et que l’on retrouvait une bonne qualité de boues et de filtrats.
Tableau 3 : Estimatif des coûts d’exploitation
| Poste | Quantité | Coût moyen | Coût annuel | |
|---|---|---|---|---|
| Objectif 20 % | Objectif 15 % | |||
| Polymère | 5,5 kg de PA/T de MS | 4,5 €/kg polymère actif en émulsion | 2 722 | 2 722 |
| Chlorure ferrique | 150 kg FeCl₃ pur/T de MS | 110 €/t de solution industrielle | 4 583 | 0 |
| Consommation énergétique | 2 kW par heure | 0,070 €/kWh | 874 | 874 |
| Consommation d’eau industrielle | 50 litres par heure | 0,20 €/m³ | 228 | 228 |
| Main d’œuvre | 2 heures par semaine | 23 €/h | 2 392 | 2 392 |
| Total coût annuel exploitation | 10 858 | 6 050 | ||
| Coût moyen par tonne de MS | 96 | 55 | ||
Par ailleurs, à la suite de coupure impromptue d’alimentation en électricité et donc de l’arrêt forcé du Volute, le redémarrage de ce dernier sans présence humaine s'est déroulé normalement.
Estimation des coûts d’exploitation
L’estimation de coûts d’exploitation est toujours une opération délicate à réaliser. Il est toutefois possible de donner quelques points de repère sur ce que peut coûter l’exploitation d'une unité de déshydratation telle que le Volute®, sachant que chaque cas est particulier.
Les coûts moyens des différents postes ont été recueillis auprès de l’exploitant de la station de Châteauroux ainsi que des bureaux d’études et fournisseurs et correspondent aux prix publics moyens.
Données techniques
- Mode d’exploitation du Volute® : 23 h/24, 5 jours/semaine, soit 5 980 heures par an.
- Déshydratation directe du bassin d’aération, pas d’épaississement.
- Capacité horaire moyenne : 18 kg de matière sèche par heure.
- Quantité de matières sèches traitées annuellement : 110 tonnes de matière sèche, soit 9,2 tonnes de matière sèche/mois, soit la production de 6 000 habitants.
Les résultats, du tableau 3, montrent que le coût d’exploitation de l'unité Volute® est très accessible pour une station de taille moyenne (6 000 équivalent habitant). Suivant l’objectif visé en termes de siccité de la boue, et donc de l'utilisation de coagulant inorganique en amont du polymère, le coût moyen du traitement par tonne de matière sèche passe de 55 à 96 €. Cette augmentation du coût du traitement est à comparer avec le gain économique réalisé sur les postes de stockage, chaulage et de transport de boues plus sèches et donc moins volumineuses.
Conclusion
Il ressort de l'ensemble de ces essais que les performances obtenues de la part du Volute® correspondent à celles habituellement rencontrées sur les sites où il est déjà installé. Le Volute® a montré sa capacité à déshydrater efficacement les boues issues du bassin d’aération d’une concentration comprise entre 2 et 4,5 g/l. Les valeurs de siccité obtenues entre 15 et 20 points dépendent du conditionnement utilisé, polymère seul ou polymère et coagulant inorganique. Pour le cas présent, la dose de polymère à injecter est inférieure à 6 kg de produit actif par tonne de matière sèche aussi bien pour obtenir une déshydratation de 15 (± 1) points de siccité avec du polymère seul que pour atteindre 20 points de siccité par l’ajout de coagulant inorganique à un dosage maximum de 15 % par rapport aux matières sèches.
Du point de vue de l’exploitation, nous avons vérifié la simplicité d'utilisation et la fiabilité de fonctionnement du procédé. Ainsi, la possibilité de visualiser les différentes étapes du processus, l’arrivée des boues, la qualité du floc, la qualité des filtrats et du gâteau permet de contrôler le fonctionnement du Volute® et d’ajuster en cas de besoin un ou plusieurs paramètres. La facilité de démarrage de l’installation après plusieurs jours d’arrêt a confirmé la souplesse d'utilisation du Volute® et sa robustesse. Du point de vue économique, l’estimation réalisée démontre que les coûts d'exploitation d’une unité Volute® sont très abordables pour des petites et moyennes stations.
D’autre part, ces essais ont démontré la possibilité pour le Volute® de fonctionner en continu plusieurs jours de manière totalement autonome ainsi que la fiabilité des automatismes, ce qui constitue un atout important pour son utilisation, notamment sur des petites et moyennes stations, de 1 000 à 50 000 E.H.
