Séchage mécanique des boues : comparaison des technologies disponibles

• 1. Production de boues dans les stations d'épuration des eaux
• 2. Séchage mécanique des boues
• 3 .Technologies pour le séchage mécanique des boues
• 3.1. Centrifugation
• 3.2. Filtres passe-bande
• 3.3 Filtres-presses
• 3.4. Presses à vis
• 4. Conclusion

1. Production de boues dans les stations d'épuration des eaux

Les eaux usées, tant industrielles qu'urbaines, présentent généralement des teneurs élevées en matières solides en suspension entraînées par les rejets, qui sont soit produites par des réactions chimiques (précipités), soit issues des traitements biologiques (boues en excès), provenant de la digestion de la matière organique (DBO) présente.     

Prétraitement

Les processus de prétraitement des effluents comprennent de simples tamis et cribles pour les solides de plus grande taille. Ces processus élémentaires permettent :

• Éliminer les problèmes de bourrage dans les circuits ou les groupes de pompage et, dans certains cas, récupérer les matières premières ou les résidus de produits provenant des lavages et des fuites.
• Réduction des matières biodégradables qui, une fois séparées au début du processus, permettent de simplifier et de réduire la taille et les coûts d'exploitation des étapes suivantes de la station d'épuration des eaux usées.

Boues primaires

Les solides en suspension de petite taille, voire sous forme colloïdale, qui échappent aux systèmes de prétraitement, doivent être séparés afin d'optimiser les étapes d'épuration ultérieures.

Les processus les plus courants à ce stade sont les suivants :

• Traitement physico-chimique à l'aide de réactifs appropriés (neutralisation, coagulation/floculation)
• Techniques de séparation par clarification, parmi lesquelles se distinguent la décantation et la flottation par air dissous, cette dernière étant la plus efficace car elle réduit considérablement le volume des boues séparées et sépare une quantité de solides, d'huiles et de graisses bien supérieure à celle obtenue par simple sédimentation.

Les boues primaires sont généralement plus consistantes et plus faciles à sécher que les boues secondaires.

Boues secondaires

Les boues secondaires apparaissent lors des étapes de digestion de la matière organique par des traitements biologiques aérobies ou anaérobies. Les bactéries utilisées dans un réacteur biologique développent leur cycle de vie dans un milieu (liqueur mixte) maintenu dans des conditions propices à leur survie (concentration,_O2, température) à l'intérieur des réacteurs biologiques. Il en résulte des eaux épurées et des masses bactériennes dont une partie est purgée sous forme de boues en excès, qui sont extraites par clarification (systèmes DAF) en vue de leur évacuation.

Traitement des boues séparées

En fonction de la destination des boues, celles-ci sont concentrées afin de faciliter leur manipulation et leur transport ultérieurs.

Lorsque les boues contiennent des solides en suspension ayant une valeur commerciale, il est recommandé de les déshydrater jusqu'à obtenir une teneur élevée en matière sèche grâce à des traitements thermiques capables d'atteindre des niveaux de sécheresse très élevés (≥ 90 %). Ce même processus s'applique aux boues hautement polluantes, dont le volume doit être réduit au minimum avant leur envoi vers des décharges spéciales, où les coûts de gestion sont très élevés.

La plupart des boues provenant des eaux usées sont destinées à des décharges standard, où elles sont sélectionnées selon des critères tels que leur composition, leur stabilité et leur concentration (≥30 % de matière sèche). Dans ces cas, le séchage mécanique des boues est l'option la plus efficace.

2. Séchage mécanique des boues

Le séchage mécanique est un processus physique qui consiste à séparer l'eau libre et une partie de l'eau liée de la boue à l'aide de moyens mécaniques.

Les équipements les plus utilisés dans le traitement des eaux usées sont les suivants :

• Décanteurs centrifuges
• Filtres passe-bande
• Filtres presses
• Presses à vis

Ce sont des équipements robustes, faciles à utiliser et à consommation énergétique modérée.

Ces systèmes permettent d'atteindre des teneurs en matière sèche comprises entre 18 % et 40 %, en fonction du type de boue, de son conditionnement chimique et de la technologie utilisée.

Les boues à traiter doivent avoir une teneur minimale en matière sèche comprise entre 3 % et 5 % pour pouvoir être traitées par séchage mécanique. La flottation à air dissous (DAF) atteint généralement ces valeurs, ce qui permet de se passer de processus de concentration préalables tels que les épaississeurs de boues.

Conditionnement chimique

Afin d'optimiser l'efficacité du séchage mécanique, les boues sont préalablement conditionnées à l'aide de substances coagulantes et floculantes. Ce traitement facilite la libération de l'eau interstitielle et augmente le rendement de l'équipement, tout en réduisant l'usure mécanique et la consommation d'énergie.

Le choix judicieux de ces réactifs et leur dosage sont des facteurs déterminants tant pour la qualité des boues séchées que pour les coûts d'exploitation (OPEX).

Les principaux réactifs utilisés sont les suivants :

• Floculants ( les plus courants). On utilise des polymères organiques qui peuvent être cationiques, anioniques et non ioniques.
• Les coagulants ( _FeCl3,_Al2(_SO4)₃, PAC et_FeSO4) neutralisent la polarité et améliorent le fonctionnement des floculants.
• Chaux (CaO ou Ca (OH)₂). Elle permet d'augmenter la concentration et la filtrabilité de la boue et la stabilise, mais elle présente l'inconvénient d'augmenter la production de boues et d'avoir un effet abrasif.
• Matériaux spéciaux. Tels que la cellulose, les diatomées, la perlite. Ces types sont spécifiques à l'industrie chimique.                      

Avantages techniques et économiques

D'un point de vue technique, le séchage mécanique des boues offre de nombreux avantages, tels que la réduction du volume à des niveaux acceptables pour leur gestion dans des décharges ou pour leur réutilisation dans le compostage. Les coûts de transport, de manipulation et d'énergie sont généralement modérés.

Applications courantes

Le séchage mécanique est applicable dans les cas suivants :

• Stations d'épuration des eaux usées urbaines : traitement des boues biologiques, physico-chimiques ou mixtes.
• Effluents industriels :                                                                                         
  • Industrie chimique et pharmaceutique.
  • Industries agroalimentaires (abattoirs, laiteries, conserveries) et boissons.
  • Exploitation minière.
  • Industrie céramique
  • Industrie papetière.
  • Installations qui préparent les boues pour la valorisation énergétique, le compostage ou l'élimination en décharge.
  • Autres activités telles que tanneries, blanchisseries industrielles, scieries de marbre, etc.

LIGNE DE BOUES TYPIQUE D'UNE STATION D'ÉPURATION

Le séchage mécanique des boues est un processus efficace, durable et économiquement compétitif. Sa mise en œuvre correcte permet de respecter la réglementation environnementale et d'améliorer considérablement la rentabilité globale de l'installation.

3. Technologies pour le séchage mécanique des boues

Le séchage mécanique des boues comprend un ensemble de technologies de séparation solide-liquide dont l'objectif est de réduire la teneur en eau présente dans les boues par l'application de solutions mécaniques. Le choix du procédé le plus approprié dépend de la nature des boues, des débits à traiter, du degré de sécheresse requis et des coûts d'investissement et d'exploitation.

3.1 Centrifugation

La centrifugation est un processus basé sur la séparation des phases solide et liquide par l'application d 'une force centrifuge, générée par un tambour rotatif tournant à grande vitesse (4 000 à 6 000 tr/min). Il s'agit d'un processus continu dans lequel la boue préalablement conditionnée avec un polymère est introduite dans le corps du décanteur centrifuge, où les solides sont séparés dans la zone centrale en raison de la différence de densité.

Applications courantes

• STT urbaines fonctionnant en continu.
• Installations avec variations de débit et de charge.                       
• Installations à haut degré d'automatisation.

Avantages

• Conception compacte
• Haute disponibilité opérationnelle
• Intégration facile avec les lignes existantes

Inconvénients

• Faible degré de sécheresse des boues (20 à 28 % de matière sèche)
• Usure mécanique
• Pollution sonore (≥80 dB (A)
• Consommation énergétique élevée (20–40 kWh/t MS)

3.2. Filtres passe-bande

Technologie à fonctionnement continu dans laquelle le pressage des boues s'effectue entre des bandes filtrantes tendues par un groupe compresseur pneumatique central. Ces toiles filtrantes se déplacent en comprimant les boues entre des rouleaux qui les font avancer tout en les déshydratant par drainage.

Le prétraitement des boues s'effectue à l'aide de produits floculants spécifiques, notamment des polyélectrolytes.

Applications courantes

• Grands débits dans les stations d'épuration urbaines
• Boues biologiques stabilisées
• Faible exigence en matière de concentration de la boue déshydratée

Avantages

• Une technologie robuste et éprouvée
• Consommation énergétique (5–10 kWh/t MS) et coûts d'entretien modérés
• Coûts d'installation (CAPEX) assumables

Inconvénients

• Faible degré de sécheresse dans les boues (18 à 25 % de matière sèche)
• Consommation élevée d'eau pour le lavage des tissus
• Filtrations troubles
• Mauvaises odeurs
• Sensible aux déséquilibres ponctuels dans le conditionnement des boues
• Grand espace occupé

3.3 Filtres-presses

La déshydratation s'effectue par filtration à haute pression dans des chambres fermées, composées de plaques recouvertes de tissus filtrants. Le processus est discontinu et atteint des niveaux élevés de sécheresse. Le type de filtre-presse le plus utilisé est celui à plaques et cadres / membrane.                                                 

Le conditionnement préalable des boues s'effectue par l'ajout contrôlé de coagulants, de floculants et, dans de nombreux cas, de chaux, dont la robustesse et la résistance sont mises à profit pour augmenter la concentration et la consistance des gâteaux déshydratés.

Applications courantes

• Boues industrielles
• Boues résistantes à la déshydratation
• On recherche une réduction maximale du volume des boues.

Avantages

• Teneur finale élevée en matière sèche (35 à 40 %)
• Faible encombrement
• Excellente clarification du filtrage
• Consommation énergétique modérée (3–8 kWh/t MS)

Inconvénients

• Régime discontinu
• Nécessite une supervision et une maintenance, bien qu'il puisse être automatisé.
• Coût d'installation (CAPEX) élevé
• Il faut laver les tissus.
• Risque lié aux pressions élevées

3.4. Presses à vis

Processus continu dans lequel la boue est progressivement comprimée à l'aide d'une vis sans fin logée dans un tambour filtrant. La pression augmente progressivement, permettant une séparation continue et contrôlée. Des substances floculantes sont généralement utilisées pour le conditionnement de la boue.

Applications courantes

• Boues biologiques et mixtes.
• Petites et moyennes productions de boues.
• Applications industrielles spécifiques
• Préfiltrage

Avantages

• Fonctionnement simple et stable.
• Faible consommation électrique (3–6 kWh/t MS)
• Entretien facile
• Faible pollution sonore
• Coût d'installation réduit
• Encombrement réduit

Inconvénients

• Faible degré de sécheresse dans les boues (18 – 25 % MS)
• Usure des bagues et des vis
• Lavage continu (consommation d'eau)
• Problèmes liés aux graisses et aux fibres

  COMPARAISON DES TECHNIQUES DE SÉCHAGE MÉCANIQUE DES BOUES

Technologie	% DE MS	CAPEX	OPEX	principal différentiel
Centrifugeuse	20–28	Moyen/Élevé	Moyen/Élevé	Fonctionnement continu, flexibilité et automatisation
Filtre de bande	18–25	Moyen	Moyen	Fonctionnement continu, débits élevés
Filtre-presse	30–40	Haut	Bas/Moyen	Fonctionnement discontinu, sécheresse maximale
Presse à vis	18–25	Moyen/Faible	Sous	Fonctionnement continu, faible consommation et simplicité

3. Conclusion

Le traitement des eaux usées génère des boues qui doivent être transformées en déchets solides et stables pour pouvoir être manipulées et gérées. Les administrations réglementent leur stockage en fonction de leur composition et de leur sécheresse.

Les stations d'épuration des effluents intègrent généralement des systèmes de séchage des boues afin de répondre à ces exigences. Certaines industries, plutôt que de disposer de ces installations, choisissent d'envoyer leurs déchets liquides à des gestionnaires externes, ce qui, bien que cela ne représente aucun coût d'installation ni d'entretien, implique un coût plus élevé par tonne de boues traitées.

Les processus de séchage mécanique des boues offrent des solutions adaptables à chaque scénario opérationnel, des stations d'épuration urbaines aux applications industrielles complexes. Le choix judicieux de la technologie permet d'optimiser l'équilibre entre l'investissement, les coûts d'exploitation, le degré de sécheresse atteint et la destination finale des boues, ce qui constitue une étape clé dans la gestion efficace et durable des boues.

Bibliographie et références.

Traitement et épuration des eaux usées (Metcalf – Eddy). Éd. Labor

Filtre presse pour la déshydratation des boues

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