Épaississement des boues par flottation à l'air dissous (DAF)

• 1. introduction à l'épaississement des boues
• 2. Épaississement des boues d'épuration
• 3. Épaississement des boues par sédimentation
• 4. Épaississement des boues par flottation à l'air dissous (DAF)
• 5. Comparaison des procédés d'épaississement
• 6. Résumé

1. introduction à l'épaississement des boues

Le traitement des eaux usées générées par les processus industriels produit une concentration de déchets sous forme de boues, également appelées boues, qui peuvent être plus ou moins hydratées.Les déchets sont produits sous forme de boues, également appelées boues, qui peuvent être plus ou moins hydratées.

Le traitement des eaux usées est principalement classé en processus physiques, chimiques et biologiques.

• Dans le cas des traitements physico-chimiques, les boues obtenues sont des boues fraîches sous forme de matières solides en suspension dans l'eau (MES). Les boues générées par les procédés physico-chimiques (boues primaires) sont généralement constituées de matériaux plus denses que les boues issues du traitement biologique (boues secondaires).
• Dans les traitements biologiques et chimiques, des réactions d'oxydation et de transformation ont lieu. Les boues biologiques sont composées de matières organiques et minérales, ainsi que des restes des bactéries qui s'en nourrissent (boues actives). La densité de ces boues est plus faible que celle des boues primaires et elles sont plus difficiles à déshydrater.

Les stations de traitement des effluents comportent une ligne de traitement des eaux et une ligne de traitement des boues. L'objectif est d'obtenir une eau conforme aux paramètres requis par les normes applicables et de réduire le volume des boues jusqu'à ce qu'elles puissent être mises en décharge ou utilisées pour le compostage ou la production de sous-produits.

Comme nous l'avons vu, l' un des principaux objectifs est de réduire au maximum le volume des boues. Dans la plupart des décharges, une concentration minimale en MS de 30 % est requise, ce qui ne peut être obtenu que par des moyens mécaniques (filtres-presses, filtres à bande, centrifugeuses, etc.) ou par des systèmes de séchage thermique.

L'épaississement, ou déshydratation, est un procédé intermédiaire qui permet de réduire la taille des installations coûteuses de séchage des boues.

2. Épaississement des boues d'épuration

L'épaississement des boues est un processus utilisé pour réduire le volume des boues avant tout autre traitement de déshydratation. Les deux principales sources de production de boues sont le traitement primaire et le traitement secondaire. Les solides décantés qui sont retirés du fond des bassins de décantation primaire et secondaire sont un mélange aqueux contenant les solides en suspension séparés. Ce mélange est appelé boue ou slurry.

Les boues produites lors du traitement primaire et secondaire de la ligne d'eau d'une STEP présentent les caractéristiques suivantes :

• Leur teneur en eau est élevée (95-99%), ils occupent donc un volume important et sont difficiles à manipuler.
• Ils contiennent une grande quantité de matière organique et se décomposent donc facilement (putréfaction), ce qui produit de mauvaises odeurs.
• Ils contiennent un grand nombre d'organismes pathogènes, à l'origine de maladies.

Cela signifie qu'ils doivent être traités avec le plus grand soin. Leur traitement comporte trois phases, destinées à minimiser les problèmes susmentionnés :

• Réduction de l'eau présente dans les boues pour en diminuer le volume.                                         
• Stabilisation de la matière organique pour éviter les problèmes de fermentation et de putréfaction.
• Obtenir une texture appropriée pour les rendre maniables et transportables.

La quantité et les propriétés des boues à traiter dans une station d'épuration dépendent des caractéristiques des eaux usées dont elles proviennent, ainsi que du traitement auquel elles sont soumises.

L'origine et les principales caractéristiques des boues sont les suivantes :

(a) Boues primaires

Elles proviennent de la décantation primaire. Ces boues n'ont pas subi de traitement biologique, ni de décomposition, elles sont donc très instables et putrescibles. Après un certain temps, elles dégagent une mauvaise odeur. Environ 60 % de ces boues sont considérées comme sédimentables.

Leur couleur est normalement grise, avec une teneur élevée en solides biodégradables et autres types de déchets. Ils libèrent facilement l'eau qui les compose et s'épaississent bien. Leur teneur en eau varie entre 95 et 99 %.

(b) Boues biologiques

Elles sont communément appelées boues excédentaires et proviennent du processus de boues activées. Elles sont généralement de couleur brun foncé et leur teneur en matière organique est partiellement décomposée.

Ils ont une odeur de terre humide, pas désagréable, mais, lors de leur décomposition ultérieure, ils deviennent septiques et produisent de mauvaises odeurs. Leur taux d'humidité varie entre 98 et 99,5 % et ils sont difficiles à concentrer.

Elles peuvent être épaissies directement ou envoyées en sédimentation primaire, où elles sont décantées avec les boues primaires, donnant lieu à des boues mixtes.

(c) Boues digérées en aérobiose

Les boues sont de couleur brun foncé. Elles ont un aspect floconneux et leur odeur n'est pas particulièrement forte.

(d) Boues de précipitation chimique

Leur vitesse de décomposition est un peu plus lente que celle des primaires. Elles sont de couleur foncée, rougeâtre si elles contiennent beaucoup de fer. Leur odeur peut être désagréable, mais pas autant que celle des boues primaires.

3. Épaississement des boues d'épuration par sédimentation

L'épaississement des boues par sédimentation, ou épaississement mécanique, est un processus qui se déroule dans un équipement de station circulaire contenant un pont à rotation lente équipé de racleurs de fond. Le pont comprend un ensemble de pics verticaux qui facilitent l'élimination des composés volatils en ouvrant des rainures dans la couverture de boue, facilitant ainsi l'épaississement.

Des racleurs de fond balaient les boues épaissies vers une sortie, d'où elles sont périodiquement purgées.

Un limiteur de couple est généralement installé sur le moteur d'entraînement pour éviter que le pont rotatif ne se bloque et ne fonctionne mal.

La hauteur totale de ces équipements ne dépasse généralement pas 3,5 mètres et la pente des parois inférieures est de l'ordre de 15 %.

Le dimensionnement d'un épaississeur mécanique est basé sur la courbe de décantation des boues selon la théorie de Kynch, selon laquelle la vitesse de chute d'un type de particule ne dépend que de la concentration locale de cette particule.  

_Zonat1 - t2_{correspond à} des décanteurs hydrauliques verticaux avec un lit de boue fixe. À partir du point t2,_{on observe} une diminution progressive de la vitesse de chute des particules solides, jusqu'au point t3_où les solides se touchent et exercent une compression sur les couches inférieures. Cette zone _t2 - t3_est utilisée pour les épaississeurs de boues mécaniques.

Dans un épaississeur de boues mécanique, la charge spécifique est comprise entre 25 et 70 kg ^MS/m2. d. Tout au long de l'opération, une large couche de boue est maintenue au fond pour faciliter une meilleure concentration. Une variable opérationnelle de cet équipement est le rapport de volume des boues (RVF), qui est le volume de la couche de boues de l'épaississeur divisé par le volume de boues épaissies quotidiennement. Les valeurs du RVF varient de 0,5 à 2 jours, les valeurs les plus basses étant observées par temps chaud.

4. Épaississement des boues par flottation à l'air dissous (DAF)

La flottation à l'air dissous (DAF) est une technique utilisée pour la séparation des particules solides, des liquides et la séparation/épaississement des boues.

Dans ce processus, les boues s'élèvent à une vitesse beaucoup plus élevée que la sédimentation par gravité. Les boues épaissies sont collectées à la surface du flotteur au moyen d'un système de raclage. Les installations DAF atteignent des performances très élevées dans les stations d'épuration urbaines et industrielles.

Comparée à d'autres systèmes d'épaississement des boues, la flottation à l'air dissous (DAF) présente plusieurs avantages :

• Tout d'abord, le procédé DAF est plus rapide que la sédimentation par gravité, ce qui permet d'augmenter le débit des stations d'épuration. 
• Deuxièmement, la flottation DAF est plus efficace pour éliminer les particules fines et les colloïdes que la sédimentation par gravité. 
• En outre, les équipements DAF peuvent traiter des charges solides plus importantes, ce qui se traduit par une plus grande efficacité dans la séparation des solides et des liquides. 

Les FAD sont également utilisés comme systèmes de séparation physico-chimique des boues biologiques, car ils occupent environ 5 fois moins d'espace qu'un décanteur statique pour le même débit traité. En outre, ils peuvent être utilisés pour épaissir des boues déjà séparées et permettent généralement d'augmenter la concentration des boues jusqu'à 8-10% de matière sèche, en fonction de l'origine des boues.

Système d'épaississement des boues DAF

La flottation à l'air dissous (DAF) est un procédé utilisé pour séparer les particules solides des liquides qui les contiennent. Dans ce processus, les particules solides sont attachées à de très fines bulles d'air, ce qui leur confère une vitesse d'ascension très rapide. Les bulles d'air sont générées en dissolvant de l'air dans de l'eau à haute pression, puis en le dépressurisant et en le libérant dans un réservoir de flottation.

SIGMADAF a installé des équipements DAF pour la séparation des MES dans la clarification primaire et secondaire, ainsi que dans l'épaississement des boues.

La coagulation/floculation avant le traitement favorise l'efficacité du DAF et la déshydratation accrue des boues.

SIGMADAF propose une large gamme de flotteurs DAF pour ces applications :

• SIGMADAF FPAC Compact: De 3 à 200 m3/h en construction métallique.
• SIGMADAF FPAC-CWDe 1000 à 4000 m3/h dans des cuves en béton.
• SIGMADAF FPHF Compact: De 100 à 1000 m3/h Unités compactes en métal ou en plastique.

Tous ces équipements résistent à l'action de la salinité élevée des effluents.

Conception d'un flotteur à air dissous

Si l'on compare un système de flottation DAF à l'utilisation de bassins de décantation primaires et secondaires, on constate que l'équipement de flottation présente des avantages significatifs par rapport aux technologies de sédimentation conventionnelles, car sa vitesse ascendante est environ 5 fois supérieure à la vitesse de décantation dans un clarificateur par gravité, ce qui permet d'économiser du temps et de l'espace.      

La surface de l'équipement est déterminée sur la base de paramètres tels que la charge solide et la charge superficielle (également appelée vitesse de remontée). La charge solide est exprimée en kgSS/(m²-d) et la charge de surface en m³/(m²-h) . Les valeurs typiques de ces paramètres sont : 50-100 kgSS/(m²-d) et 3-5 m³/(m²-h).

Le flotteur à air dissous peut être conçu avec ou sans recirculation, en fonction des besoins spécifiques de la station d'épuration.

Épaississement des boues par flottaison

Pour la déshydratation des boues flottantes, un système statique basé sur des plaques inclinées etun racleur est utilisé. Ce système permet d'obtenir une teneur en matières sèches 3 à 4 fois plus élevée que n'importe quel système conventionnel. 

La flottation à l'air sous pression est normalement utilisée pour l'épaississement des boues activées et la récupération des fibres cellulosiques, mais elle est également applicable aux boues plus épaisses, telles que le mélange résultant des boues primaires et des boues activées.

Bien que le floculant soit souvent dosé pour faciliter le processus, l'épaississement peut également être réalisé sans ajout de floculant, mais avec des concentrations de MS plus faibles.

Le dimensionnement des flotteurs d'épaississement des boues est calculé sur la base des paramètres suivants :

Paramètre	Valeurs de conception
Charge spécifique	5 - 10 Kg de MS/m2.h
Vitesse	1 - 3 m3/m2.h
Concentration des boues activées flottantes	30 - 50 g/l
Boues primaires + boues activées flottantes	50 - 70 g/l
Masse volumétrique du manteau flottant	0,75 - 0,9 kg/l

En résumé, un système DAF est un outil efficace pour concentrer les boues dans les stations d'épuration, réduire leur volume et faciliter leur traitement ultérieur.

5. Comparaison de l'épaississement des boues à l'aide de la technologie DAF et de la technologie de décantation mécanique

La flottation à l'air dissous (FAD) et l'épaississeur par gravité sont deux technologies utilisées pour l'épaississement des boues dans les lignes de boues des stations d'épuration. Nous comparons ci-dessous leurs avantages et leurs inconvénients :

Épaississeur par flottation à l'air dissous (DAF)

Avantages:

• Efficacité de l'épaississement: le DAF atteint une concentration élevée de solides en suspension dans l'eau en formant des microbulles d'air. Cela permet de réduire considérablement le volume des boues. La concentration obtenue dans les boues épaissies est de l'ordre de 4 à 6 %, avec des mélanges de boues primaires et de boues activées en excès (même ≥ 8 %). L'utilisation de polyélectrolytes comme floculants de boues permet d'améliorer la séparation des solides de 85% à 98-99%.
• Séparation rapide: La flottation permet une séparation rapide des solides, ce qui est bénéfique dans les situations où la charge de boue est élevée.                                                                       
• Moins d'espace requis: Le DAF occupe moins d'espace que les épaississeurs par gravité.

Inconvénients:

• Coûts initiaux: la technologie d'injection d'air à microbulles et les systèmes de recirculation peuvent augmenter les coûts initiaux.
• Consommation d'énergie: la production de microbulles et la recirculation des boues nécessitent davantage d'énergie électrique.

Épaississeur par gravité:

Avantages:

1. Faibles coûts initiaux: les épaississeurs par gravité sont moins coûteux en termes d'investissement initial.
2. Consommation d'énergie réduite: aucun système d'aération n'est nécessaire, ce qui réduit les coûts d'exploitation.
3. Robustesse: ils sont simples et robustes.

Inconvénients:

1. Taux d'épaississement: la vitesse des boues est nettement inférieure à celle du DAF.
2. Encombrement plus important: ils occupent plus d'espace au sol.
3. Efficacité plus faible: la concentration des solides n'est pas aussi élevée que dans le DAF.

Comparaison des coûts

Le procédé DAF est une option efficace pour la concentration des boues dans les stations d'épuration. Cependant, il est important de prendre en compte les coûts par rapport à d'autres procédés. Voici quelques éléments à prendre en compte :

Coûts d'investissement initiaux

1. Le DAF nécessite un investissement initial pour l'achat et l'installation de l'équipement. Par rapport à d'autres procédés, tels que les décanteurs conventionnels, il peut être plus coûteux en raison du système de compression, de la décompression de l'air et de la nécessité de systèmes de recirculation.
2. D'autres procédés, tels que les décanteurs, peuvent avoir des coûts initiaux moins élevés pour l'équipement mécanique, mais les travaux de génie civil nécessaires pour un équipement plus important doivent également être évalués.          

Coûts opérationnels

1. Les coûts d'exploitation du DAF comprennent l'énergie électrique pour la génération de microbulles par compression et dissolution de l'air et la recirculation des boues. Ces coûts peuvent varier en fonction de la taille de la station et de l'efficacité de l'équipement.
2. En comparaison, les décanteurs conventionnels ont des coûts d'exploitation plus faibles car ils ne nécessitent pas de systèmes d'aération.

Efficacité et gain de place

1. Le DAF offre une vitesse de remontée des boues plus élevée, ce qui permet d'économiser de l'espace dans la station. Cela peut être bénéfique dans les zones où l'espace est limité.

Coûts d'entretien et de réparation

1. L'entretien et les réparations des DAF peuvent être plus coûteux en raison de la complexité des systèmes d'aération et de recirculation.
2. Les épaississeurs mécaniques et d'autres procédés plus simples peuvent avoir des coûts d'entretien plus faibles.

Séchage des boues Malgré son efficacité, la DAF n'est pas adaptée aux concentrations de solides extrêmement élevées. Cependant, elle peut améliorer les processus alternatifs, réduisant ainsi la taille et le coût des systèmes de déshydratation en aval.

Pour obtenir des boues plus concentrées, d'autres systèmes sont utilisés, comme les filtres-presses ou les centrifugeuses.

Type de boue	% DM Non épaissi	% de MS épaissie	Charge solide (kg/m2.h)
Boues séparées
Boues primaires	2,5 - 5,5	8 - 10	4 - 6
Filtre à tambour	4 - 7	7 - 9	1,6 - 2
Aération modifiée	2 - 4	4,3 - 7,9	1,4 - 3,7
Activé	0,5 - 1,2	2,5 - 3,3	0.8 - 1,6
Boues combinées
Filtres primaire et à ruissellement	3 - 6	7 - 9	2,4 - 4
Aération primaire et aération modifiée	3 - 4	8,3 - 11,6	2,4 - 4
Primaire et activée	2,6 - 4,8	4,6 - 9	1,6 - 3,2

Concentrations de boues épaissies et non épaissies et charges solides pour les épaississeurs mécaniques (Metcalf - Eddy. Ed. Labor).

Dans les stations à boues activées utilisant la digestion, les boues activées excédentaires, ou les boues brutes combinées avant la digestion, devraient être épaissies pour réduire les coûts de construction et d'exploitation.

Les éléments à prendre en compte lors de la conception d'un épaississeur sont les suivants :

• Le doter d'une capacité suffisante pour répondre aux demandes de pointe.
• Éviter la septicité et les problèmes d'odeur inhérents à ce processus.

Type de boue	Charge en kg/m2. h
Activé (liquide mélangé)	1 - 3
Activé (réglé)	2 - 4
50 % primaire + 50 % activée	4 - 8
Primaire uniquement	Jusqu'à 10

Calcul de la charge dans les FAD à partir de différents types de boues

Il est préférable d'utiliser les effluents de l'usine, plutôt que les effluents de flottation, pour la recirculation sous pression en raison du risque d'encrassement de l'équipement concerné.

6. Conclusion

Les boues produites dans les stations d'épuration doivent être concentrées et traitées à un niveau de charge et d'inertie tel qu'elles puissent être envoyées dans des sites d'enfouissement autorisés. Des systèmes de décantation par gravité et d'épaississement (épaississement mécanique) ou des systèmes de clarification et d'épaississement utilisant des équipements de flottation à l'air dissous (DAF) sont couramment utilisés.

Le procédé DAF est plus efficace en termes de concentration et de séparation des solides, mais peut être plus coûteux en termes d'investissement et d'énergie. L'épaississeur par gravité est plus économique et plus robuste, mais il nécessite plus d'espace et des travaux de génie civil plus importants. Le choix dépend des besoins spécifiques de chaque usine et du budget disponible.

Consultations et bibliographie

• Ingénierie des eaux usées/conduite des boues - Wikibooks (wikibooks.org)
• Manuel technique sur l'eau (Degrémont)
• Traitement et épuration des eaux usées - Metcalf-Eddy (Edit. Labor S.A.)