En station d'épuration, l'étape de traitement finale est bien souvent la déshydratation mécanique des boues avec pour objectif d'élimination d'un maximum d'eau. En fonction de la technologie utilisée (centrifugeuse, filtre-presse, filtre à bandes'), une teneur en matières sèches située entre 15 et 35 % peut être obtenue ce qui signifie, a contrario, que les boues peuvent encore contenir après traitement jusqu'à 85 % d'eau ! Une bonne caractérisation de la structure et du comportement des boues, un conditionnement adéquat et des équipements au fonctionnement optimisé peuvent cependant permettre de gagner plusieurs points de siccité. Explications.
Sous le double effet d’une augmentation des volumes d’eaux usées traitées et d’un accroissement de la qualité des traitements mis en œuvre ces trois dernières décennies, la production de boues d’épuration a cru de 30 % ces 15 dernières années pour atteindre, selon les derniers chiffres publiés par l’Ifen, les 1,8 million de tonnes de matières sèches en 2007. Or, selon une étude menée conjointement par l’Ademe et le Cemagref en 1999, les coûts du traitement des boues résiduaires représenteraient, toutes filières confondues, plus de 55 % du coût total de la filière de traitement des eaux usées (pour les petites stations, la gestion des boues se fait sous forme liquide). Pour les exploitants, la maîtrise de ces coûts, qui passe nécessairement par une meilleure déshydratation des boues, est donc un enjeu crucial.
Car quelle que soit la ou les filière(s) de valorisation(s) choisie(s) – épandage, compostage, incinération – leur mise en œuvre sera d’autant plus simple et d’autant plus économique que la boue sera mieux déshydratée. Reste qu’au sortir de bien des installations de déshydratation mécanique, les boues peuvent encore contenir jusqu’à 85 % d’eau !
Indépendamment de la technologie utilisée pour les traiter, il est donc indispensable de travailler à l’optimisation de la déshydratation. Tout commence par une bonne caractérisation physico-chimique des boues à traiter. Car le comportement des boues varie de façon importante en fonction de plusieurs paramètres comme leur origine, leur traitement, leur composition, ce qui influencera directement le déroulement de l’étape de déshydratation. Une déshydratation efficace ne se borne donc pas au fait de presser fortement et longuement une boue.
Or, la plupart des fabricants d’équipements étaient à l’origine des sociétés de fabrication chaudronnée ou mécanique. Devant l’évolution des exigences de traitement et la variabilité croissante des types de boues à traiter, certains constructeurs se sont équipés de laboratoires internes d'analyse et d’essais pour mieux caractériser ces boues, étudier les conditionnements et ainsi les équipements les plus appropriés. Grâce à son laboratoire, la société E.M.O, par exemple, peut proposer les meilleures combinaisons possibles suivant les différents types de boues : table d’égouttage suivi de filtre à bandes ou flottateur suivi de filtre à plateaux et ainsi proposer aux exploitants une solution globale. Une bonne connaissance des propriétés rhéologiques d’une boue est indispensable pour optimiser le traitement et, pour commencer, pour mieux les conditionner. Car le conditionnement physico-chimique des boues est une étape clé de ce processus.
Le conditionnement des boues : une étape clé du processus de déshydratation
Le conditionnement physico-chimique d'une boue consiste à modifier ses caractéristiques pour faciliter la séparation des phases liquide/solide. Le plus souvent, il
Déshydrater les boues avec un filtre-presse hydraulique
Cette presse à boue commercialisée par Bucher est constituée d'une structure à rotation lente composée d'un cylindre et d'un piston hydraulique. Entre la tête du piston et la base du cylindre, de nombreux drains tubulaires flexibles assurent la collecte et l’évacuation du filtrat hors de la chambre de pressage. Le cycle de déshydratation se compose d'une succession de phases de remplissage, pressage et déstructuration.
La durée d'un cycle dépend des caractéristiques de la boue et dure entre 70 et 120 minutes.
Les boues ainsi déshydratées sont ensuite automatiquement déchargées et un nouveau cycle démarre.
Le procédé permet d’obtenir les plus hautes siccités possibles par voie mécanique, ce qui, pour des boues d’aération prolongée, correspond à des siccités comprises entre 25 et 35 % sans chaulage. Dans les faits, la technologie Bucher HPS permet d'atteindre 100 % de la siccité limite de la boue contre 80 % pour une centrifugeuse, par exemple. Son fonctionnement, entièrement automatique, ne nécessite aucune intervention humaine et les machines fonctionnent 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7, y compris sur des boues d’aération prolongée.
Consiste à ajouter des réactifs au sein de la boue pour agglomérer les particules colloïdales dispersées et ainsi faciliter le processus de séparation. Ce conditionnement peut être réalisé avec une grande variété de réactifs, des minéraux et/ou de polymères de synthèse aux polyélectrolytes, qui vont neutraliser les charges de surface des solides et favoriser le processus d'agglomération. Les bénéfices de l’opération sont multiples. On constate généralement une amélioration des propriétés mécaniques de la boue qui résiste mieux aux contraintes de cisaillement ainsi qu'une augmentation de la vitesse de déshydratation et une meilleure stabilité de la boue traitée dans le temps. En chaulant les boues en amont de leur déshydratation par voie mécanique, on favorise l’élimination de l’eau, on empêche la fermentation, on améliore la texture et on incorpore un amendement calcaire intéressant pour les sols.
Dans le même esprit, la sélection et surtout le dosage d’additifs, des floculants par exemple, est un moyen d'influencer favorablement la rhéologie des boues afin d’améliorer leur capacité de séchage. Lhoist propose par exemple le calci-traitement, une solution permettant d’améliorer la déshydratation des boues en associant un réactif calco-magnésien au floculant organique habituellement utilisé en amont de l’équipement de déshydratation. Plusieurs réactifs compatibles avec les floculants organiques ont été développés par Lhoist et les résultats obtenus sur le terrain font apparaître une amélioration de la siccité des boues ainsi que de leur structure. L’injection en amont d'une centrifugeuse de Neutralac® QM2 DB a par exemple permis de réduire d’environ 5 % la production de boue et de faire passer la teneur en matière sèche des boues déshydratées de 25 à 37 % (voir à ce sujet EIN n° 296).
De son côté, Carmeuse a développé Codecal®, une chaux vive à réactivité retardée qui permet l'utilisation de la chaux en pré-chaulage en centrifugeuse, conjointement avec des polymères organiques cationiques, combinant ainsi les avantages du filtre à plateaux avec ceux de la centrifugeuse. Après le mélange aux boues, Codecal® n’augmente le pH que jusqu’à 12 dans une première étape assurant une floculation et ne réagit exothermiquement avec l’eau des boues qu’après leur déshydratation. Sa granulométrie plus élevée (comparée à de la chaux
(éteinte) minéralise les boues en améliorant d’autant plus leur déshydratation.
Cette technique permet en outre d’éviter l’étape supplémentaire de post-chaulage.
Par ailleurs, en pré-chaulage en filtres à plateaux, Codecal® apporte la facilité d’adduction directement dans la boue, sans passer par un lait de chaux, tout en optimisant la déshydratation par l’effet minéral.
Enfin, l’évolution des réactifs de pré-chaulage est loin d’être terminée car Lhoist annonce pour l’année 2010 l’arrivée sur le marché d’une nouvelle gamme de réactifs calciques hybrides qui rempliront de nouvelles fonctionnalités et qui devraient permettre des économies significatives en floculants organiques et minéraux.
Les floculants progressent également. Zetag® 9000 est une nouvelle gamme de polymères liquides émulsions basée sur la chimie mettant en œuvre des polymères linéaires et hautement réticulés : la technologie FS, développée et brevetée par Ciba. Principaux avantages : les polymères linéaires assurent des performances techniques élevées, même à des niveaux de dosage faibles de par leur poids moléculaire élevé. La technologie FS, basée sur le principe de la réticulation, démontre de hautes performances techniques en termes d’augmentation de la siccité des boues et de rendement machine et trouve ainsi de nombreuses applications en matière de déshydratation.
Reste que la complexité des processus de floculation et l’extrême diversité des boues à traiter font qu’il n’existe pas de traitement, ni de produit de conditionnement optimal. Des essais sont donc bien souvent nécessaires pour identifier le produit qui donnera le meilleur résultat et déterminer.
déterminer le dosage optimal. Pour aider les exploitants dans cette approche, l'IFTS a développé un processus de caractérisation des flocs et la méthodologie E.C.O.FLOC, acronyme de Étude des Conditions Optimales de la FLOCulation, qui permet d’optimiser le dosage pour une nature de polymère tandis que E.C.O.FLOC+ permet de comparer un ou plusieurs polymères en déterminant la dose optimale pour les floculants les mieux adaptés. Au-delà du gain de temps obtenu, la méthode permet aux exploitants de stations d’épuration de comparer de façon objective les performances des produits testés en fonction de la typologie de leurs boues et des équipements mis en œuvre.
Ainsi, dans le cas où un filtre-presse est utilisé, on cherchera à obtenir des flocs présentant une bonne aptitude à la déshydratation sous pression avec une plus faible résistance spécifique possible, une siccité élevée de la boue, un filtrat clair et un décollement facile du gâteau des toiles filtrantes. Par contre, si une décanteuse centrifuge à vis est utilisée, on recherchera plutôt des flocs résistants, capables de refloculer après cisaillement, une siccité élevée des boues et un centrat clair.
Ce type d’outil permet d’optimiser le conditionnement des boues en amont de la déshydratation mécanique des boues et ainsi de tirer le meilleur parti possible des équipements de déshydratation utilisés. Un préalable nécessaire pour exploiter au mieux des équipements dont le principe de fonctionnement est bien connu mais qui ont eux aussi beaucoup progressé ces dernières années.
Des équipements en constante évolution
En aval de l’épaississement, qui ne modifie pas sensiblement l’état liquide de la boue, la déshydratation mécanique des boues permet d’aller plus loin en atteignant un état pâteux, voire solide dans certains cas. Elle est plus souvent obtenue par des filtres-presses, des centrifugeuses ou des filtres à bandes.
Moderne et rustique à la fois, le filtre-presse est probablement l'équipement de déshydratation le plus répandu au sein des stations d’épuration après les décanteuses centrifuges. Sa fiabilité, sa robustesse et une grande diversité de configurations lui ont ouvert un large champ d’applications en matière de déshydratation des boues. C’est aussi un équipement qui a su évoluer au fil du temps. La nécessité de réduire les coûts de traitement ultérieur et de décharge du gâteau a ouvert la voie aux filtres-presses à membranes. Leur fonctionnement est identique à celui des filtres-presses à chambre pendant la phase initiale du cycle, celui de remplissage et de filtration. Mais lorsque qu’une pression définie est atteinte, selon les caractéristiques de la boue, l’alimentation est interrompue et les membranes se gonflent lentement, comprimant ainsi le gâteau en améliorant la déshydratation. Autre avancée majeure enregistrée ces dernières années, leur mode de fonctionnement devenu entièrement automatique. Grâce à leur programme de R&D, les constructeurs de filtres-presses comme Andritz, Diemme, Emo, Faure Équipements, Choquenet et PHR ont réussi à améliorer considérablement l’automatisation des filtres-presses pour gommer les inconvénients du passé (colmatage des toiles, décollage difficile des gâteaux, présence indispensable des opérateurs lors de l'ouverture des plateaux…). Malgré tout, on peut distinguer différents degrés d’automatisation sur les
Unités mobiles de déshydratation des boues : un marché très actif
Le marché des unités mobiles de déshydratation des boues se porte bien. Andreu Boet Equipaments, CTP Environnement, Idra Environnement, Sede Environnement, Hydrovide, SEEGT, Ultimop, Sarp, AquaTraitements ou encore ATR Créations proposent à la location du matériel mobile et opérationnel adapté aux besoins spécifiques de chaque exploitant et dimensionné en fonction des volumes à traiter. Les services proposés sont plus ou moins étendus et peuvent aller jusqu’à la préconisation de réactifs et/ou d’équipements (Ultimop). Ces équipements permettent de faire face à une urgence, à une indisponibilité ou plus fréquemment à un regroupement de plusieurs communes pour exploiter une seule unité mobile, ce qui permettra une déshydratation au moindre coût. Les équipements proposés vont d’une simple centrifugeuse ou un filtre-presse sur remorque pour traiter des boues classiques à l’heure ou à la journée, jusqu’aux unités transportables nécessitant parfois une dizaine de remorques et qui seront exploitées sur plusieurs mois.
L’accélération des exigences de traitement des boues in situ et le montant des investissements exigés pour se mettre aux normes a incité les industriels à opter pour de la sous-traitance de ces prestations de déshydratation. Par conséquent les constructeurs (EMO, ATR…) ou des sociétés de prestation de service (Ultimop…) ont développé un parc d’unités mobiles de tables d’égouttage, filtres à bandes, filtres-presses, centrifugeuses sur remorque ou camion. Les unités mobiles peuvent aussi être équipées d’un labo de terrain tel qu’EMO l’a déjà réalisé en Tunisie, Pologne, etc.
ABB Andreu Boet Equipements, société spécialisée dans la location et réparation de centrifugeuses pour la déshydratation des boues, dispose quant à elle de plus de 22 unités mobiles parmi lesquelles les deux plus grosses centrifugeuses décanteuses actuellement disponibles au sud de l’Europe, capables de traiter des boues avec des sédiments argileux et sableux sur la base d’une capacité nominale jusqu’à 90 m³/heure. Chaque unité mobile est constituée de pompes, unité préparation polymère, tapis de décharge, panneau de contrôle avec automate programmable et tuyaux et câbles pour le branchement. Seuls deux camions sont nécessaires à leur mise en place qui peut se faire en quelques heures seulement.
SEEGT exploite de son côté un parc constitué de cinq filtres-presses à plateaux de 3 000 l avec membranes de compactage et de deux centrifugeuses (500 kg/h de matières sèches et 1 t/h de MS).
FILTRES-PRESSES : les filtres-presses automatiques et les filtres-presses « sans présence humaine ».
En effet, le problème principal sur ces équipements reste le décollage des gâteaux. La plupart des constructeurs offrent aujourd’hui des systèmes qui permettent de détecter si certains gâteaux sont restés collés sur les toiles (système de pesage ou détection visuelle). Détecter est une chose, mais lorsque la boue reste collée, l’opérateur doit intervenir et les systèmes traditionnels de secouage des plateaux améliorent le décollage sans pouvoir le garantir à 100 %.
D’autres constructeurs sont allés donc plus loin dans l’automatisation en détectant la présence de boue restée collée sur la toile mais surtout en garantissant le décollage des gâteaux et donc n’exigeant aucune présence d’opérateurs lors des opérations d’ouverture des plateaux. Les filtres-presses peuvent donc fonctionner 24 h/24, permettant un nombre de pressées plus important et donc un filtre-presse de plus petite taille. Il n’existe cependant que très peu de constructeurs au monde aujourd'hui pouvant offrir ces systèmes car ils sont brevetés internationalement : on distingue les systèmes de raclage mécanique des toiles type Netzsch ou les systèmes de mouvement vertical des toiles de filtration utilisés par Ishigaki (Japon) ou Emo (France). Ce dernier système utilisé par Emo repose sur une mécanique simple dans laquelle les toiles ne sont plus fixées sur les plateaux mais sur un système pneumatique. Lors de l’ouverture des chambres, le poids des gâteaux entraîne les toiles vers le bas et génère ainsi un phénomène de « pelage » du gâteau (pelage de banane). Si le gâteau reste malgré tout collé sur une ou plusieurs toiles lors de la descente des gâteaux, la toile ne peut reprendre sa position initiale. Ceci est automatiquement détecté par un capteur optique qui déclenche le système pneumatique sur lequel sont fixées les toiles. Ce système redonne une impulsion vers le bas à la toile pour générer à nouveau l’effet de pelage. Suivant les types de boues, le nombre d’impulsions peut être ajusté.
Faure Equipements propose de son côté des installations de déshydratation complètes et clés en main, entièrement automatiques, bâties autour d’un filtre-presse intégrant ligne de conditionnement et pompes d’alimentation.
L’équipement s’intègre également, seul ou combiné à d’autres équipements, à des unités mobiles (voir encadré ci-contre). Faure Equipements propose par exemple un filtre-presse capable de produire 6 000 litres de gâteaux par pressée, gâteaux formés par les boues compactées, avec un débit de remplissage pouvant atteindre 25 à 100 m³ par heure. De 2 500 à 3 000 kg de MES peuvent ainsi être traités par cycle.
Les presses Bucher fonctionnent sur le même principe depuis plus de 40 ans dans l’industrie fruitière, essentiellement pour le pressage des pommes. Leader sur le marché avec plus de 2 100 machines dans
L’électro-osmose au secours de la déshydratation des boues
Le monde, la société a décidé de diversifier son activité dans le domaine du traitement des boues. Depuis 2007, ces presses sont donc proposées dans le domaine de l’assainissement urbain et industriel avec un principe de fonctionnement totalement différent de tout ce qui a été proposé dans le domaine jusqu'à présent. « Ces presses permettent de déshydrater les boues de manière totalement automatique aux plus hauts niveaux de siccité possibles et ce quel que soit le type de boues », indique Jean-François Mischler, responsable commercial France chez Bucher.
Durant le cycle de déshydratation, le morcellement répété du gâteau (20 à 30 x) offre en permanence de nouveaux chemins de filtration, ce qui permet d’éliminer la totalité de l'eau libre contenue dans les boues. Les boues produites présentent, grâce au morcellement répété, une forme de granulés et permettent un déchargement 100 % automatique sans aucun équipement ni automatisme complémentaire. Ces presses sont compatibles avec tout type de conditionnement, polymères, sels métalliques, chaux et assimilés... La maintenance peut être réalisée par l'exploitant et ne demande aucune compétence particulière car la machine est simple et rustique (aucune mécanique complexe ou pièce sensible). Les stations aujourd’hui équipées exploitent ces presses de manière continue sans intervention humaine, avec des temps d'exploitation humain réduits au minimum.
Les décanteuses centrifuges proposées par Andritz, Alfa Laval ou encore Westfalia Separator, qui soumettent les boues à une force centrifuge pour provoquer leur décantation, ont elles aussi beaucoup progressé. Avec cinq types de transmission (fixe, par roto-variateur, par double moteur, par transmission hydraulique, version ADF/ATEX) les matériels de dessiccation Pieralisi proposés par PHR Industrie (dont la gamme centrifugeuse deux ou trois phases s’étend en Ø bol de 232 à 880 mm) couvrent tous les domaines d’application : STEP urbaines, industrielles, process et pétrochimie.
La transmission coaxiale, brevetée par Andritz, substitue à l'ensemble du système d’entraînement habituel des machines tournantes (moteurs classiques primaires et secondaires) une ligne d'entraînement constituée de moteurs synchrones à aimants permanents qui consistent en deux rotors placés l’un derrière l’autre sur la ligne d’arbre de la décanteuse. Avantages ? Un niveau vibratoire plus bas et plus constant, une consommation d’énergie diminuée de 10 %, une maintenance réduite et une compacité accrue puisque la partie motorisation qui représentait un quart de la machine est supprimée.
D’autres innovations ont permis d’optimiser le rendement des machines tout en diminuant les coûts d’exploitation : double entraînement, rotor polyvalent, tuilage intégral des vis, système d’entraînement breveté avec recyclage d’énergie, système d’optimisation de floculant, construction inox... Et meilleure régulation du procédé : avec l’opérateur virtuel Octopus, Alfa Laval propose un système intelligent de contrôle du process de déshydratation : le système exploite des capteurs infrarouges qui analysent en permanence les performances du processus et procède aux ajustements nécessaires pour garantir une exploitation optimale de l’atelier de déshydratation. Le modèle Octopus Lite permet quant à lui d’asservir le dosage de polymères sans instrumentation complémentaire. Il permet de diminuer la consommation de polymères de 5 à 10 % avec l’utilisation d'un décanteur centrifuge Aldec G2.
Toutes ces avancées profitent aux centrifugeuses qui, après avoir investi les grosses
ses stations d’épuration, se tournent désormais vers des stations plus modestes, de 5 000 à 10 000 E.H.
La série D2 d’Andritz se compose ainsi de trois modèles pour un débit de 1 à 4 m³/h, de 2 à 6 m³/h ou de 3 à 8 m³/h. L’Aldec 10 d’Alfa Laval, la série CDforce de Westfalia Separator, la série Baby de Pieralisi (disponible à la location ou pour essais auprès de PHR Industrie) ou la C3E de Flottweg visent des marchés similaires.
Le filtre à bandes pressantes commercialisé par Andritz, Emo ou ATR Créations permet d’obtenir une siccité allant de 16 à 30 %, voire davantage dans certains cas particuliers.
ATR Créations a ainsi réalisé pour le compte d’Aqua-Traitements, une unité mobile de traitement très haute siccité de 2 m de large avec tous les compléments nécessaires au process : préparation polymères, floculateur, broyeur, pompes, tapis d’extraction… Cette unité se caractérise par une mise en œuvre rapide de l’installation (moins de 2 heures) et des performances élevées en termes de débit et de siccité : 12 t/h de moyenne industrielle à 42 % de siccité en sortie machine pour des sédiments argileux. PHR Industrie propose une gamme de machines Teknofanghi avec une bande de 80 cm à 2 m de large, avec ou sans épaississeur intégré.
Huber Technology a développé de son côté des presses à bandes hautes performances qui atteignent des performances équivalentes à celles des meilleures centrifugeuses. De façon plus générale, le filtre à bandes présente comme avantages un fonctionnement en continu avec une consommation d’énergie relativement faible. Mais cet équipement doit être surveillé par un opérateur chargé d’ajuster le conditionnement en fonction des caractéristiques de la boue alimentée, le réglage final se faisant par l’observation de l’aspect de la boue conditionnée sur la zone d’égouttage.
Pour automatiser cet équipement, des capteurs constitués d’une caméra numérique positionnée sur la zone d’égouttage du filtre à bandes et d’un logiciel qui traite les images acquises et qui calcule à partir de celles-ci un indice corrélé à la siccité de la boue déshydratée sont aujourd’hui développés. L’indice calculé peut alors alimenter un système de régulation du filtre à bandes.
Il est difficile aujourd’hui de mettre en avant une technologie de déshydratation plus qu’une autre. Par rapport aux problématiques actuelles liées aux économies d’énergie et à la réduction des consommations de produits dérivés du pétrole (type floculant), les systèmes faiblement consommateurs d’électricité et de polymère tels que les filtres à bandes pourraient être favorisés.
Mais d’autres impératifs, comme par exemple la réduction du volume des boues, pourraient profiter plutôt aux filtres-presses ou aux décanteuses centrifuges.
