Filtres-presses pour le séchage mécanique des boues d'épuration des eaux usées

5 avril 2024 (Lecture 11 minutes)
Jordi Fabregas

1. introduction au séchage des boues

Dans la plupart des stations d'épuration, l'objectif commun est de minimiser le volume de boues produites lors du traitement primaire et secondaire.

Il existe plusieurs technologies pour déshydrater ces boues, les plus économiques étant les systèmes mécaniques, parmi lesquels se distinguent les décanteurs centrifuges, les filtres à bande, les presses à vis et les filtres-presses, ces derniers étant ceux qui permettent d'atteindre des degrés de déshydratation plus élevés, tout en ayant des coûts d'énergie et de réactifs plus faibles.

Processus de séchage% de siccité bouesConsommation d'énergieConsommation de réactifs
Décanteur centrifuge18 - 23Très élevéTrès élevé
Filtre de bande18 - 22SousTrès élevé
Presse à vis22 - 26SousTrès élevé
Filtre-presse25 - 50Très faibleSous

Le système de filtre-presse est celui qui permet d'obtenir la plus grande siccité des boues, mais, contrairement aux autres systèmes, il fonctionne de manière discontinue.

Les filtres-presses ont diverses applications dans le domaine industriel et, dans de nombreux cas, les boues déshydratées obtenues peuvent être commercialisées, comme dans les cas suivants :

  • Industries céramiques : Utilisé dans l'industrie céramique pour améliorer les qualités des porcelaines, gris, marbres, quartz et pigments.          
  • Industries minières : Dans les mines, le filtre-presse est utilisé pour déshydrater le charbon et d'autres boues minérales, afin d'obtenir des solides secs d'une pureté appréciable. Il est utilisé dans le cadre du processus d'extraction des métaux, tels que le fer, le plomb, le cuivre, le zinc, l'or, etc.
  • Industries alimentaires : dans ce type d'industrie, il est utilisé pour purifier et améliorer la qualité des sirops, sirops, bières, vins, levures et sucres, entre autres produits.
  • Produits pharmaceutiques : Dans l'industrie pharmaceutique, les filtres-presses sont couramment utilisés pour séparer les liquides, le sérum sanguin étant le plus important de tous, car il sert de matière première pour la synthèse de divers médicaments.
  • Chimie : Dans l'industrie chimique, ce type de filtre est utilisé pour concentrer les produits et séparer les déchets.

Dans cet article, nous nous concentrerons sur l'utilisation des filtres-presses pour le traitement des boues produites dans les stations d'épuration.

2) Qu'est-ce qu'un filtre-presse ?

Un filtre-presse est une machine montée sur une structure de support qui abrite un ensemble de chambres avec des toiles filtrantes à l'intérieur. La boue est pompée au moyen d'une pompe, généralement pneumatique, afin d'éviter les problèmes de fonctionnement dus à la grande quantité de solides présents dans le liquide à filtrer.

Un filtre-presse se compose de

Marquage du cadre du filtre-presse

C'est la structure qui forme et soutient l'ensemble du filtre-presse.

Chambre de filtre

Les chambres, de forme concave et opposées les unes aux autres, sont les espaces entre les plaques filtrantes. Elles servent de moule à la boue qui se forme à l'intérieur. Le paquet de plaques est maintenu fermé et scellé à haute pression grâce à l'action d'une unité électro-hydraulique qui utilise un piston central pour pressuriser le paquet de chambres.

Les panneaux peuvent être de différentes dimensions. Les plus courantes vont de 80 x 80 cm à 250 x 250 cm. Les matériaux de construction sont généralement en plastique, comme le polypropylène.

Les filtres-presses fonctionnent généralement à des pressions d'environ 6 bars, mais il existe également des unités à haute pression allant jusqu'à 16 bars, voire plus, dont l'objectif est d'obtenir la plus grande déshydratation possible. Le nombre de chambres dépend du volume de boue à obtenir dans chaque processus de séchage et se situe généralement entre 12 et 50.

Pour calculer le nombre de chambres nécessaires, il suffit de diviser la quantité de boues à déshydrater par le volume d'une chambre, en tenant compte de la densité des boues et de la concentration qui peut être obtenue avec le filtre. Cette valeur de concentration est obtenue lors d'essais en laboratoire et dépend du type de boue.

Tissus ou médias filtrants

Ces tissus sont généralement fabriqués en matières plastiques (PP, polyester, polyamide, etc.). Ces tissus sont perméables au passage des liquides et agissent comme des filtres retenant les solides en suspension.

La concentration des boues augmente avec la pression, jusqu'à la limite de conception obtenue en laboratoire.

Collectionneurs

Un collecteur est une partie du système de filtration qui est utilisée pour séparer les solides des liquides dans le processus de filtration. Dans le contexte d'un filtre-presse, le collecteur peut se référer spécifiquement au système ou aux composants qui recueillent le filtrat (le liquide qui a traversé le média filtrant) après que la suspension (le mélange de solides et de liquides) a été pressée à travers les plaques filtrantes.

3. Dimensionnement d'un filtre-presse pour le séchage des boues

Nous développons un exemple avec les données suivantes :

  • Débit d'entrée des boues = 1,25 m3/h. - MS à l'entrée des boues = 3 %.
  • Densité des boues : 1,1 kg/l. - Heures de production de boues : 8 h/jour.

Nous calculons la quantité de MS et de liquide en fonction du débit journalier :

  • Q = 1,25 m3/h x 8 h/j = 10 m3/j=> 10 x 1,1 = 11 000 kg/j de boues.
  • La teneur en solides de ces boues est de 3 %.
  • MS = 11000 Kg/jour x 3% = 330 Kg/jour de boues.
  • Le reste est une fraction liquide = 11.000 - 330 = 10.670 kg/j de liquide à drainer.
  • Si les gâteaux de boue atteignent une siccité de 30 % => Production journalière de boue = 330/0,3 = 1100 kg/jour de boue déshydratée par le filtre-presse.
  • Dont SS = 330 kg/jour et liquide drainé = 10670 kg/jour.

En résumé, l'u de boue générée à partir du gâteau est obtenue comme suit :

  • Si le gâteau de boue a une densité d = 1,4 kg/l, le volume du gâteau de boue à 30 % généré sera de = 1100 kg/jour / 1,4 kg/l = 785,7 litres/jour.
  • Le filtre-presse doit éliminer un volume de gâteau égal à 785,7 litres en une journée.

Supposons que le système de filtration fonctionne 8 h/jour et qu'une opération de filtration (comprenant le remplissage, le filtrage, l'ouverture et les options diverses) dure 4 h. Dans ces conditions, 2 opérations de filtration seront nécessaires pour déshydrater les boues produites en un jour, et chaque séchage produira = 785,7/2 = 392,9 litres de boues à 30 % de siccité.

Volume du filtre-presse = 785,7 litres/2 = 392,85 litres.

Pour déterminer le nombre de plaques nécessaires, nous partons de :

  • Taille de la plaque considérée = 1000 x 1000 x 25 mm
  • Volume par plaque = 19,7 l. Surface par plaque = 153,1 dm2

Le nombre de plaques pour chaque processus de séchage est de = 393 litres / 19,7= 19,9, soit 20 chambres. Le nombre de plaques filtrantes est de n+1 chambres => 20 + 1 =21 plaques filtrantes. La surface filtrante du filtre-presse sera donc de = 20 x 1,53 m = 30,3m2.

4. Fonctionnement d'un filtre-presse

Le flux de boues liquides pénètre dans les chambres par un collecteur d'où provient l'alimentation de chaque chambre. Ces boues sont pompées dans les chambres par une pompe pneumatique.

L'eau drainée est recueillie sur le côté opposé une fois qu'elle a été filtrée. De cette manière, les toiles filtrantes et les boues accumulées facilitent l'augmentation de la pression, l'augmentation de la concentration et la formation de gâteaux de boue. 

La boue d'alimentation doit remplir rapidement les chambres de filtration afin de former des gâteaux uniformes (temps d'environ 5 à 6 minutes). Pour cette raison, il est courant d'utiliser des pompes de refoulement à basse pression.

En fonction du type de solide à séparer, un floculant spécifique, ou une boue de chaux, est préalablement dosé dans un réservoir à boues. Dans certains cas, des réactifs coagulants, tels que Fe(OH)3 ou PAC, sont également ajoutés au préalable.

Alors que la consommation de floculants ne dépasse généralement pas 4 kg/mt MS, la consommation de chaux atteint des valeurs de 15 % de la MS des boues, ce qui se traduit par un degré de déshydratation plus élevé, au détriment d'une production de boues (MS) plus importante.

Au fur et à mesure que le gâteau de boue se forme, la pression à l'intérieur des chambres augmente jusqu'à atteindre un point où elle devient asymptotique et où la pompe pneumatique ralentit son propre débit jusqu'à ce qu'elle s'arrête pratiquement. À ce stade, la circulation de l'eau drainée s'arrête également, ce qui est détecté par un capteur de débit. La fin du cycle de pressage est détectée par un signal provenant d'un pressostat, qui avertit l'opérateur de la situation. C'est à ce moment que les gâteaux de boue sont prêts à être évacués.

L'ensemble du filtre-presse est généralement monté sur une structure surélevée, de sorte qu'un conteneur peut être placé sous le paquet de chambres, dans lequel les solides pressés peuvent être recueillis. Ces conteneurs sont généralement dotés d'un dispositif de vidange au cas où de l'eau ou des gâteaux malformés s'y infiltreraient. Ces filtres sont généralement placés à l'extérieur et disposent d'un auvent pour empêcher la pluie d'atteindre le réservoir de boues.

Le déchargement des gâteaux est très simple. Il suffit de décompresser l'unité électro-hydraulique qui les maintient fermées, puis de les ouvrir et de les séparer les unes des autres pour qu'elles tombent dans la cuve sous l'effet de leur propre poids.

Dans les petits filtres (avec des plaques jusqu'à 1 m), les gâteaux peuvent être déchargés manuellement, voire à l'aide d'un levier pour les séparer des plaques auxquelles ils peuvent rester attachés. Pour les dimensions plus importantes, on utilise des systèmes de déchargement automatique qui déplacent les plaques et accompagnent les ouvertures de vibrations ou de cliquetis qui font tomber les gâteaux. Dans tous les cas, il est impératif de vérifier qu'aucun gâteau ne reste collé, totalement ou partiellement, sur les plaques, afin d'éviter une mauvaise fermeture et des fuites de boues dans les processus de séchage successifs. Une solution courante consiste à faire passer des courants d'air pour sécher encore plus les gâteaux et s'assurer que toute l'eau a été filtrée.

Afin d'optimiser la collecte des boues sèches, des systèmes de broyage du gâteau sont installés pour réduire le volume occupé à l'intérieur des réservoirs.

L'entretien de ce type de filtre est très simple, puisqu'il se limite à maintenir les toiles associées aux plaques dans de bonnes conditions de nettoyage. Pour ce faire, il faut les nettoyer à intervalles réguliers, ce qui implique une opération de lavage en circuit fermé, ou les démonter et les nettoyer séparément, puis les remonter une fois qu'elles ont été nettoyées.

5. Types de filtres-presses

Il existe plusieurs types de filtres-presses, chacun ayant ses propres caractéristiques et applications. Certains des types les plus courants sont décrits ci-dessous :

  • Filtres-presses à plaques et à cadres : il s'agit du type le plus traditionnel. Il se compose d'une série de plaques et de cadres alternés, entre lesquels se trouve un média filtrant. Les solides s'accumulent dans les chambres formées entre les plaques, tandis que l'eau traverse le média filtrant et est évacuée. Ce type de filtre-presse est polyvalent et peut être adapté à différents types de boues.
  • Filtres-presses avec membranes de post-pressage : dans ce type de filtre-presses, des membranes élastiques sont ajoutées à chaque plaque. Ces membranes permettent une plus forte compression du gâteau de boue, lorsque celui-ci est gonflé hydrauliquement ou pneumatiquement, ce qui se traduit par une plus grande efficacité de déshydratation.
  • Filtres à bande : contrairement aux filtres-presses à plaques et à cadres, ces filtres utilisent une bande filtrante continue qui se déplace à travers un système de rouleaux tendus. La boue est pompée sur la bande, où l'eau est filtrée à travers elle, laissant les solides piégés. Ce type de filtre est particulièrement adapté aux grands volumes de boues et offre une capacité de déshydratation élevée, mais obtient des valeurs de déshydratation inférieures à celles du filtre à plaques et à cadres. La concentration des boues séchées peut être augmentée par l'ajout de réactifs spécifiques et par la mise en place préalable de tables d'égouttage.
  • Filtre-presse vertical ou à tour : ce type de filtre-presse est similaire au filtre-presse à plaques et à cadre, mais au lieu d'empiler les plaques horizontalement, elles sont disposées verticalement dans une tour. Cela permet une meilleure utilisation de l'espace et une plus grande capacité de déshydratation sur une surface réduite. Les filtres-presses à tour sont idéaux pour les installations où l'espace est limité.

Filtres à chambre encastrée : le filtre-presse à plaques et à cadres utilise une série de plaques filtrantes et de cadres, tandis que le filtre-presse à chambre encastrée utilise des plaques filtrantes pour former des chambres encastrées. La conception à plaques et cadres permet de recouvrir facilement le tissu, tandis que la conception à chambres encastrées exige que le tissu soit fermement fixé aux plaques. Le choix entre ces deux conceptions dépend des exigences spécifiques de l'application, de la capacité de filtration et d'autres considérations opérationnelles.

6. L'ensemble DAF - filtre-presse

Dans une station d'épuration conventionnelle, les boues séparées par un décanteur ont une concentration variant entre 0,6 et 1,5 % de MS, selon qu'il s'agit de boues secondaires ou primaires. Cette concentration de boue est trop faible pour être séchée dans un filtre-presse, d'où la nécessité d'installer un épaississeur intermédiaire.

Un épaississeur est un équipement de grande taille et coûteux, qui nécessite une cuve, des systèmes mécaniques et des pompes de transfert appropriées. Les boues épaissies dans cet équipement atteignent généralement des concentrations de 3 à 4 % de MS, et sont alors considérées comme aptes à être traitées par séchage mécanique.

Ces boues sont stockées dans un réservoir d'accumulation et introduites dans le filtre-presse au moyen d'une pompe pneumatique, après ajout de réactifs floculants et coagulants, si nécessaire.

Si un système de clarification par sédimentation est remplacé par un système de flottation à l'air dissous (DAF), le système d'épaississement intermédiaire n'est pas nécessaire, car les boues obtenues par DAF ont une teneur en MS comprise entre 4 et 5 %. Un système DAF offre les avantages suivants :

  • Peu encombrant.
  • L'installation d'un épaississeur n'est pas nécessaire.
  • Efficacité accrue dans la séparation des solides en suspension.
  • On obtient une eau clarifiée de meilleure qualité.

Si l'on fait un bilan économique, il n'y a pas de grande différence d'investissement et de consommation entre les deux systèmes, car le DAF nécessite des équipements supplémentaires pour la pressurisation et la dépressurisation de l'air fourni.

Schéma d'un système DAF + filtre-presse pour la séparation et le séchage des boues

7. Conclusion

Les déchets solides générés lors de l'épuration des eaux usées doivent être extraits, traités et déshydratés afin de réduire au maximum leur volume et d'atteindre au moins un niveau de réduction permettant de les accepter dans une décharge autorisée. Pour ce faire, il existe différentes technologies, parmi lesquelles se distinguent les procédés de séchage mécanique, et notamment le séchage au moyen de filtres-presses, qui permet d'obtenir un degré élevé de séchage à un faible coût en termes d'énergie et de réactifs.

Il est important de garder à l'esprit que les boues à traiter doivent arriver au filtre-presse conditionnées par l'ajout des réactifs coagulants et floculants appropriés, et à une concentration minimale qui rend le processus viable (3-5 %).

Les boues provenant des systèmes de clarification par sédimentation atteignent rarement ces concentrations, de sorte qu'un traitement intermédiaire d'épaississement est nécessaire.

La flottation à l'air dissous (DAF), pour laquelle Sigmadaf possède une expérience éprouvée, est une alternative efficace qui permet d'économiser de l'espace et des coûts et d'obtenir une plus grande réduction des polluants dans les eaux usées.

Les boues extraites du DAF ont déjà la concentration minimale nécessaire pour être directement introduites dans le filtre-presse pour la déshydratation.

Bibliographie et consultations

Quelle est la différence entre un filtre-presse à plaque et cadre et un filtre-presse à chambre intégré ? - Kintek Solution (kindle-tech.com)

Filtre-presse, la meilleure alternative à la déshydratation des boues - AS Filtración (asfiltracion.com)

Filtre-presse : caractéristiques, pièces, fonctionnement, utilisations (lifeder.com)

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