Projet ANR-11-EMMA-0042 – OptiChaux : Optimiser le mélange et réduire la consommation de réactif : développement d'un prototype pré-industriel sur le principe de l'extrusion bi-vis corotatives pour le chaulage des boues résiduaires
Programme : Emergence de produits, technologies, ou services à fort potentiel de valorisation (Emergence)
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Monsieur Jean-Christophe BAUDEZ (CENTRE NATIONAL DU MACHINISME AGRICOLE, DU GENIE RURAL, DES EAUX ET DES FORETS - CEMAGREF ANTONY)
Partenaires : Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture; Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture; Institut Pascal
Montant : 251090.0 euros
Durée : 24 mois
Résumé : Chaulage des boues : un meilleur mélange avec moins de réactifA partir du principe de l’extrusion bivis corotatives, le mélange des boues et de la chaux est plus intime : avec moins de chaux, l’hygiénisation et les propriétés mécaniques sont améliorées
Réduire les volumes de boues tout en améliorant la structure et en consommant moins de chauxPartant du constat que les outils actuellement utilisés pour mélanger les boues résiduaires avec la chaux n'apportent pas satisfaction, tant en termes de qualité technique et environnementale que du point de vue économique, l'objectif principal de ce projet est de développer un mélangeur efficace, permettant de réduire la consommation de chaux tout en assurant à la fois une parfaite dispersion du produit dans la matrice, une amélioration des caractéristiques rhéologiques et une valeur amendante intéressant les utilisateurs finaux . Ce mélangeur s'appuie sur le principe de l'extrusion bi-vis corotatives, tout en restant économiquement attrayant par rapport aux mélangeurs actuellement sur le marché. L'objectif du projet Opti-Chaux est de développer et produire un démonstrateur mobile, moins sophistiqué, mais tout aussi efficace qu'une extrudeuse bi-vis corotatives et adapté au contexte technique et économique des stations d'épuration. Pour aboutir à cet outil finalisé, transférable à un industriel, plusieurs étapes vont se succéder depuis la simplification de l'extrudeuse jusqu'à la mise au point du démonstrateur en passant par la rédaction d'un cahier des charges, l’élaboration et l'optimisation du prototype. A l'issue du projet, nous aurons un mélangeur proche du produit fini, dans sa conception et son principe, utilisable pour des démonstrations et des essais comparatifs. Un bilan technique et économique des différents procédés aura été réalisé et la valeur agronomique des boues aura été évaluée.
De la simulation numérique à l’expérimentation de terrainL’objectif premier du projet est d’aboutir à un mélangeur efficace mais dont le coût serait contenu, par rapport aux mélangeurs actuellement utilisés. Cet objectif commande tous les verrous du projet puisque les solutions proposées devront tendre vers un coût réduit. Ainsi, le principal verrou technologique sera de simplifier une extrudeuse sans trop altérer le niveau de qualité du mélange. Pour lever ce verrou, le travail s'appuiera sur l'expérimentation et sur la simulation numérique pour définir la plage de vitesses de mélange et l’architecture des vis, ce qui permettra de réduire considérablement les coûts de fabrication. Les autres verrous concernent plutôt les performances du démonstrateur et du mélangeur qui en découlera. Il faudra en effet s'assurer du gain réel en termes de qualité de mélange et de quantité de chaux ajoutée, par rapport aux systèmes existants, tout en évitant une trop haute et onéreuse technicité, incompatible avec le traitement des boues. A défaut, il faudra évaluer le réel potentiel de la machine. Sur le plan scientifique, le verrou sera de définir un paramètre permettant de quantifier l'homogénéité du mélange obtenu par simulation numérique. Avec les essais expérimentaux, cette quantification se fera à l'aide de l'analyse d'image, sur les échantillons réels obtenus.
Résumé de la soumission : La France produit 1,1 Mt de matières sèches de boues résiduaires dont 60% sont valorisés en agriculture, généralement après chaulage, ce qui permet de stabiliser biologiquement les boues. En pratique, cette étape est souvent grossière et les mélanges obtenus insuffisamment stables. Pour pallier cette situation, les traiteurs de boue ont pour habitude de surdoser la chaux, allant jusqu’à doubler la dose ce qui génère alors une augmentation des coûts et la une saturation prématurée des aires de stockage. Dans le but d'optimiser la dispersion de la chaux et d’atteindre un mélange homogène tout en réduisant la quantité incorporée, le Cemagref s'est appuyé avec succès sur le principe de l'extrusion bi-vis corotatives et a breveté sa solution technique. L'objectif du projet Opti-Chaux est de développer et produire un démonstrateur mobile, moins sophistiqué, mais tout aussi efficace qu'une extrudeuse bi-vis corotatives et adapté au contexte technique et économique des stations d'épuration. La mobilité du démonstrateur est un élément important du projet car il permettra d'aller faire une comparaison objective, sur site, avec les outils déjà installés, en utilisant la même boue et la même chaux. Pour aboutir à cet outil finalisé, transférable à un industriel, plusieurs étapes vont se succéder depuis la simplification de l'extrudeuse jusqu'à la mise au point du démonstrateur en passant par la rédaction d'un cahier des charges, l’élaboration et l'optimisation du prototype. Ce travail technique sera doublé de la mise en place d’une démarche spécifique destinée à valoriser le savoir-faire ainsi développé. A l'issue du projet, nous aurons un mélangeur proche du produit fini, dans sa conception et son principe, utilisable pour des démonstrations et des essais comparatifs. Un bilan technique et économique des différents procédés aura été réalisé et la valeur agronomique des boues aura été évaluée. Une stratégie de valorisation du concept aura en outre été initiée (incluant le transfert de la technologie et la protection du savoir développé).Pour atteindre cet objectif, le projet reposera sur un consortium scientifique composé du Cemagref (UR TSCF), de l’IFMA et s’appuiera sur la structure de valorisation du Cemagref.
Résultats : A stade actuel du projet (1 an), le cahier des charges est finalisé et les plans du démonstrateur sont achevés. Il n’est pas encore possible de le diffuser car les résultats ne sont pas encore protégés.
Perspectives : Le chaulage représente environ 30% de la production de boues résiduaires, soit à peu près 350 000 tonnes de matières sèches par an. A raison de 150 € la tonne de chaux, passer d'une concentration de 40% à 20% représente une économie journalière de 35000 € par an pour une station d’épuration de taille moyenne, soit dix millions d'euros par jour à l'échelle nationale, sans compter le gain environnemental lié aux volumes non produits qui ne seront pas transportés ni épandus.
Ce gain économique s'accompagnera d'un salutaire saut technologique. En faisant entrer la technologie dans le traitement des boues résiduaires, et en démontrant son impact positif sur la qualité finale du matériau et sur le coût des traitements, ce projet favorisera l'émergence de solutions innovantes en remplacement de procédés éprouvés de longue date, voire éculés.
Publications et brevets : Après un an, il est encore trop tôt pour breveter l’outil en cours de développement, mais c’est l’objectif