Brevet FR2383132A1 — publié le 19781006

L'épuration biologique des eaux résiduaires domestiques ou industrielles suivant le procédé dit de la boue activée, produit des boues dont il faut soutirer régulièrement l'excédent des bassins d'aération et de décantation. Ces boues comprennent essentiellement les microorganismes qui se sont développés au cours du processus biologique de dégradation des matières dissoutes ou en suspension dans les eaux traitées. Au soutirage, les boues sont très diluées et sont toujours épaissies par décantation ou flottation avec ou sans addition de réactifs de floculation. On passe ainsi de boue à 5-15 grs de matière en suspension (MES) par litre à 35-50 grs MES/1. La boue épaissie est encore très liquide et son volume atteint de 1 à 5% du volume des eaux traitées, ce qui est considérable. Ces boues sont souvent éliminées par épandage mais elles doivent être stabilisées par oxydation aérobie ou par pasteurisation.Dans certains cas, pour éviter leur fermentation odorante et dangereuse pour l'environnement, elles sont digérées en l'absence d'air, ce qui a pour effet de réduire la matière volatile en produisant des gaz combustibles utilisables; mais les investissements correspondants sont très élevés, la conduite et l'entretien délicats et onéreux. D'une manière générale, on cherche à réduire le volume à évacuer ou à détruire en déshydratant au mieux les boues épaissies; on cherche en premier lieu à obtenir des boues pelletables non fermentiscibles et éventuellement assez déshydratées pour devenir autocombustibles. L'une ou l'autre des méthodes suivantes est employée suivant la quantité de boue à traiter, leur nature et les conditions locales, notamment les possibilités de décharge 14) La filtration et le séchage en plein air sur lits filtrants 20) La filtration sous vide sur filtre à tambour 3 ) La filtration sur filtre à bandes pressées 40) La filtration sur filtre presse à chambres 50) L'essorage sur décanteuses de divers types Ces procédés de déshydratation, qui sont généralement améliorés par addition de produits de floculation, conduisent à des boues pelletables à des siccités allant de 12 à 24% suivant l'origine des boues et le procédé de déshydratation employé. Cependant, la déshydratation sur filtre presse permet d'atteindre des siccités de 40 à 50% mais l'appareillage est très cher et d'un emploi délicat. Le plus souvent, on doit donc évacuer des boues avec 76 à 88% d'eau, qui seraient fermentiscibles si elles n'étaient préalablement stabilisées par une digestion aérobie ou anaérobie, par pasteurisation ou par voie chimique. A titre d'exemple, pour une station de 50.000 habitants, il faut évacuer en moyenne 12,5 m3 de boues à 82% dthumidite par jour. Si les boues ainsi déshydratées ne peuvent être évacuées sur une décharge autorisée, elles doivent être incinérées mais au prix d'une grande consommation de combustible, sauf si leur siccité dépasse 35%. En raison des limites de la déshydratation mécanique des boues épaissies avec ou sans conditionnement chimique, on a cherché d'autres procédés de conditionnement et de réduction, ainsi on peut incinérer les boues déshydratées dans différents types de four mais ltoperation, compte-tenu de la grande quantité d'eau à évaporer, est coûteuse en combustible; de plus, les investissements sont élevés, la conduite et l'entretien nécessitent un personnel compétent, ce qui en limite l'emploi aux grandes stations Cependant, compte-tenu que les boues à évacuer sont essentiellement constituées de microorganismes, donc à predominance cellulaire, on a proposé de cuire les boues à une température suffisante pour faire éclater les cellules et en solubiliser une partie et pour détruire les matières colloidales; on obtient ainsi à la fois une réduction des matières en suspension et une forte amélioration de leur décantabilité et de leur filtrabilité On obtientcouramment, après cuisson par l'un ou l'autre des moyens de déshydratation cités plus haut, des siccités de 40 à 50% sans addition de réactif s; de plus, ces boues sont stériles. Malheureusement, pour que la cuisson soit suffisante dans un temps raisonnable, il faut atteindre 1900 à 2100 et 18 à 22 bars, pour un temps de cuisson de 60 à 90 minutes. L'emploi de température de l'ordre de 2000C présente de graves inconvénients 10) La dégradation des matières volatiles produit des gaz peu-ou pas solubles, ce qui élève lIa pression effective de 12-17 bars à 18-24 bars et oblige à des purges. De plus, le milieu étant réducteur, les produits sulfurés sont réduits à l'état d'hydrogène sulfuré ou de mercaptides particulièrement malodorants, ce qui empoisonne l'atmosphère autour de la station d'épuration. 2 ) Il faut des calories sous forme de vapeur ou d'eau surchauffée à haute pression et il faut obtenir un haut rendement de récupération calorifique. 30) Autoclaves, échangeurs et tuyauteries s'entartrent et s'encrassent rapidement. 40) La boue est corrosive. Il faut donc un matériel pour hautes pression et température en acier spécial avec des échangeurs de très grande surface nettoyables sur-les deux faces. Les installations de cuisson directe sont donc très onéreuses et nécessitent une conduite et un entretien attentif; elles ne sont concevables que pour des stations d'épuration importantes. De plus, elles dégagent des odeurs nauséabondes malgré les précautions prises. Après cuisson, la quantité de boue est réduite de 20 à 30% et sa déshydratation par l'un ou l'autre des moyens cités plus haut atteint couramment 50% de siccité. Les eaux résiduaires qui sont retournées en tête de station apportent une surcharge en DBO5 de 12 à 18% en produisant souvent-une odeur nauséabonde. Le procédé objet de cette invention est un perfectionnement du procédé de cuisson des boues fraîches décrit ci-dessus qui consiste dans l'addition d'un réactif à base d'acide sulfurique, d'acide phosphorique, de chaux ou de l'un de ces acides et d'un sel de calcium de l'autre, à la boue à traiter# dans les proportions suivantes pour 100 parties de matière en suspension --3,6 à 7,6 parties d'ions sulfuriques S04 et de préférence 4 +/- 0,4 parties - 2,4 à 5,2 parties d'ions phosphoriques PO et de préférence. 2,7 +/- 0,3 parties 4 - 1 ,8 à 3,9 parties de calcium Ca et de préférence 2,1 +/- 0,3 parties Les proportions étant réglées pour obtenir après mélange un pH de 5,5 à 6 de la boue à cuire. Ce résultat est en particulier obtenu en utilisant comme réactif l'engrais connu sous le nom de superphosphate sur la base de 10 à 20 parties de superphosphate à 18 +1- 2% P205 et de-préférence 10 12 parties. Le superphosphate étant un engrais très bon marche, l'incidence de son emploi sur le cotit de l'opération est négligeable. Avec cette addition après cuisson en autoclave en continu ou discontinu pendant 50 à 80 minutes entre 1550 et 1800 et de préférence entre 1600 et 1700, on obtient une réduction jusqu'à 50% des matières en suspension et une siccité de 40 à 50% après déshydratation par un des moyens cités plus haut. Le nouveau procédé présente donc sur les procédés de cuisson connus, les avantages suivants pour un temps de cuisson semblable, une réduction de la matière en suspension supérieure et une siccité du même ordre 10) La température est ramenée de 2000 à 1650 et la pression de 20 à 6 bars, soit moins du tiers. 20) Le réactif passive l'acier 30) Le réactif empêche la fixation du tartre et réduit considérablement ltencrassement. -4 ) La cuisson ne libère pas de gaz ou vapeurs susceptibles d'élever sensiblement la pression au-delà de celle de la vapeur d'eau à la température considérée. 50) Le recyclage des eaux résiduaires sur la station# produit une surcharge de 8 à 12% en DBO5 sans provoquer de perturbation. 6#) Ni pendant, ni après la cuisson, ni au recyclage des eaux résiduaires, n'apparaissent d'odeurs désagréables. L'installation peut donc être étudiée, montée et construite en acier ordinaire en utilisant au mieux des matériels standards (pompes, échangeurs, etc. ..), ce qui réduit son colt au tiers ou au quart de celui d'une installation classique de cuisson. La conduite et l'entretien sont facilités et fortement réduits. Le colt et les frais d'exploitation sont du même ordre que ceux d'une installation de déshydratation directe de boues épaissies stabilisées pour une production de boue stérile et déshydratée à évacuer 3 à 5 fois moindre. De plus, l'addition de superphosphate améliore la valeur de la boue déshydratée comme engrais. Nous allons ci-après illustrer l'invention par quelques exemples de mise en oeuvre : Dans une première série d'essais on a chargé dans un autoclave de 2 litres à agitation par basculement et chauffage par résistance électrique, 1 litre de boue biologique épaissie avec le réactif. L'autoclave est chauffé rapidement et maintenu à la température et pendant le temps désiré puis refroidi rapidement. Le bouillon est versé dans une éprouvette graduée pour mesurer la vitesse et le taux de décantation. L'eau surnageante est séparée et la boue cuite épaissie est filtrée sur filtre à vide de 60 mm de diamètre sous un vide constant de 100 min Hg.Par séchage à 1100,on#mesure la siccité du gateau et par chauffage à 6000, sa teneur en matières volatiles; on mesure d'autre part la DCO et la DBO des eaux recueillies. Des essais comparatifs sont faits sur les 5 boues franches. On trouvera dans le tableau ci-dessous les résultats les plus caractéristiques des essais qui ont été faits sur les boues bi#ologiques tantôt d'une station communale, tantôt d'une station de l'industrie chimique en service. MES MV SO PO Ca pH T T P MES MV D S 4 4 grs % grs grs grs min OC b grs % % % ( (3) (2) (4) (5) (6) 10 42 64 0 0 0 7,8 - - - 40 63 92 11 20 42 64 1,58 1,06 0,8 5,8 40 160 5,6 28 43 28 28 30 42 64 " " -" 5r8 60 160 5,7 24 40 22 33 40 42 64 " " " 5,8 90 160 5,7 23 37 20 35 50 40 65 1,3 1,01 0,64 5,9 60 160 5,7 24 38 26 29 60 40 65 1,6 " " 5,7 60 160 5,7 21 31 20 35 70 40 65 2 " " 5,3 60 160 5,8 19 29 16 35 80 44 66 1,7 1,1 0,84 5,8 60 155 5,2 29 41 28 26 -90 43 62 1,7 1,1 0,84 5,7 60 170 7,2 22 31 14 45 100 45 65 2,5 1,7 1,3 5,6 60 160 5,8 25 28 18 42 110 45 65 3,4 2,3 1,7 5,5 60 160 5,8 26 28 18 43 Essais 1 : boue biologique décantée et filtrée après stabilisation aérobie 10 jours. Essais 5,6 et 7 : boues biologiques fraîches cuites avec du phosphate tricalcique additionné d'acide sulfurique jusqu'au pH désiré. Essais 2,3,4,8,9 : avec environ 10 grs de superphosphate à 18% P205 pour 100 grs MES Essais 10 : avec 15 grs de superphosphate pour 100 grs MES Essais 11 : avec 20 grs de superphosphate pour 100 grs MES (1) MES grs/l avant cuisson sans réactif (2) MES grs/l après cuisson réactif Compris (3) MV matière volatile avant cuisson sans réactif (4) MV matière volatile après cuisson avec réactif (5) D niveau de la boue décantée 30 min. (6) S siccité après filtration standardisée Dans une deuxième série d'essais, on a utilisé une installation pilote comprenant : (voir schéma joint, valable quelle que soit la taille de l'installation) a) Un bac de préparation de 2000 1. avec agitateur B1 b) Une pompe doseuse à piston et membrane à débit règlable P1 c) Tantôt un échangeur à plaques Ext Tantôt un échangeur monotubulaire à double enveloppe d) Un autoclave de 150 1 e) Un régulateur de niveau à niveau ajustable agissant sur la vanne d'extraction -f) Un injecteur -de vapeur avec détendeur de vapeur à pression règlable g) Un décanteur D1 h) Tantôt - Une essoreuse à bol cylindro-conique - Un filtre à bandes pressées - Un filtre presse Dans le bac de préparation on charge la boue épaissie et le réactif pour une opération d'au moins 16 heures. Après mélange, la boue est pompée en continu au débit prévu dans l'autoclave a travers l'échangeur. La boue cuite est soutirée en continu à niveau constant de l'autoclave et passe en sens inverse dans l'echangeur A la sortie de la vanne de soutirage la boue est épaissie dans le décanteur puis déshydratée, tantôt sur essoreuse, tantôt sur filtre. Les eaux surnageantes et les eaux d'essorage sont recueillies pour mesurer la quantité de DCO et de DBO5.- Le chauffage est assuré par injection directe dans l'autoclave de vapeur d'eau saturée à la pression désirée règlee par un détendeur. Le temps de cuisson étant détermine par le règlage du débit de la pompe doseuse et l'ajustage du niveau de l'autoclave. Le relevé régulier des températures des entrées et des sorties de l'échangeur permet de calculer régulièrement le coefficient d'échange calorifique de l'échangeur et d'apprécier ainsi son encrassement. On trouvera dans les tableaux ci-après les résultats les plus carac teristiques obtenus avec des boues biologiques provenant d'une station d'épuration industrielle. 1 ) Boues fraîches épaissies à 40-50 grs/l stabilisées par 10 jours d'insufflation d'air, essorées sur décanteuse- continue a) sans addition de floculant siccité 13 - 14% rendement de séparation 80 % b) avec addition de floculant siccité 14 - 15,5% rendement de séparation 99 % 29) Boues fraîches cuites après addition de acide sulfurique 96% 40 grs/1000 grs MES phosphate tricalcique 42 grs/1000 grs MES puis essorage sur décanteuse continue, sans floculant. MES MV . T T P MES MV S grs/l % min OC bars réduction % 10 43 63 90 155 5,2 38 42 30 20 48 62 90 160 5,6 43 32 40 30 45 63 90 165 6,3 44 32 41 40 45 63 90 170 7,1 48 28 51 pour ces essais, les rendements de séparation dépassent 96% 30) Boues fraîches cuites après addition de superphosphate à 18% P205 puis essorage sur décanteuse, sans floculant. MES MV Super T T MES MV S grs/l % MES min OC réduction % %% 19 45 63 0,1 45 160 32 42 35 20 44 65 0,1 60 160 38 38 40 30 45 62 0,1 90 160 42 32 42 40 42 65 0,1 60 170 46 28 50 50 44 64 0,15 60 160 42 27 42 60 45 66 0,2 60 160 42 26 44 pour ces essais, les rendements de séparation dépassent 96% Après cinq mois de fonctionnement, le coefficient d'échange thermique de l'échangeur monotubulaire n'a pas diminué sensiblement. Après un mois de fonctionnement, les plaques de l'autre échangeur sont encore propres malgré des vitesses de passage très faibles. Le procédé objet de l'invention peut étre utilisé pour le traitement des boues excédentaires des stations d'épuration biologique communales et industrielles. Les boues déshydratées traitées sont stériles et réduites au quart des quantités habituellement obtenues par les moyens de déshydratation les plus courants. Le procédé est valable à partir de 500 Kgs/jour de MES à traiter, en particulier si on dispose de vapeur d'eau à 6 bars ou plus. Il est particulièrement indiqué là ou l'évacuation des boues pose des problèmes. Les boues produites peuvent étre épandues comme engrais. REVENDICATIONS 1 - Procédé de réduction et de stérilisation des boues excédentaires de stations d'epuration biologique des boues résiduaires par cuisson en présence d'un réactif à base d'ions sulfuriques, phosphoriques et calciques, caractérisé en ce que, pour 100 parties de matière en suspension dans la boue on ajoute :: - 3,6 a 7,6 parties d'ions sulfuriques (SO4 ) et de préférence 4 - 0,4 parties - 2,4 a 5,2 parties d'ions phosphoriques + et de préférence 2,7 - 0,3 parties - 1,8 à 3,9 parties de calcium (Ca++) + et de préférence 2,1 - 0,3 parties 2 - Procédé selon la première revendication caractérisé par le fait que les proportions indiquées sont obtenues par addition d'acide sulfurique et de-phosphate de chaux ou d'acide sulfurique j d'acide-phosphorique et de chaux, ou encore # d'acide sulfurique et de sulfate de calcium. 3 - Procédé selon la première revendication caractérisé par le fait que le réactif est-ltengrais connu sous le nom de superphosphate 18 - 2t de P2O5. 4 - Procédé selon les ibère, 2ème et 3ème revendications caractérisé par l'addition préalable éventuelle. d'acide sulfurique pour obtenir, après addition du ou des réactifs, un-pH compris entre 5,5 et 6. 5 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé par la cuisson de la boue additionnée de réactif, en continu ou discontinu, dans un récipient résistant à la pression entre 1550'et 1800 et de préférence entre 1600 et 1700 pour une pression de 5 à 7,5 bars suivant la température. 6 - Procédé selon l'une quelconque d#s revendications 1 à 5 pour lequel la mise en température peut ètre obtenue par injection directe de vapeur d'eau saturée à une pression prérèglée en fonction de la température désirée. 7 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé par un temps de cuisson fixé entre 45 et 90 minutes et de préférence entre 50 et 75 minutes.