Brevet FR2473036A1 — publié le 19810710

La présente invention se rapporte au domaine de la protection de l'environnement contre la pollution, et a notamment pour objet un procédé d'utilisation du résidu des eaux de curage d'installations de filtrage. C'est la première fois qu'est proposé un tel procédé pouvant s'appliquer à la distribution d'eaux ménagères, potable et industrielle effectuée dans les stations d'épuration aussi bien des sources de surface que de celles de fond, dont les eaux contiennent essentiellement des sels d'aluminium et de fer, respectivement. Dfautre part, la présente invention peut Entre utilisée avantageusement dans l'industrie des matériaux de construction pour la fabrication de béton. Dès l'époque où les anciens Egyptiens ont fait usage des aluns de potasse en vue de clarifier liteau des sources de surface, il est devenu nécessaire d'éliminer le résidu observé dans les tonneaux après l'évacuation de l'eau décantée. Cependant, la quantité de ce résidu ne posait pas encore pour l'humanité de sérieux problèmes. Par la suite, sont apparus dans la technologie d'épuration des eaux les filtres lents dans lesquels l'eau était épurée grâce à des processus biologiques s'opérant dans la pellicule superficielle, la régénération du filtre consistant à enlever la couche filtrante épaisse de 5 à 10 mm. Vu que ce procédé de régénération ne prévoyait pas l'emploi d'eau de curage, le problème des résidus ne se posait pas encore. Avec l'apparition de la filtration rapide, on a commencé à soumettre la charge filtrante,ayant retenu, lors du filtrage, les différentes impuretés, à une régénération par un courant ascendant d'eau, ce qui a créé un problème de traitement des eaux de curage et, surtout, celui du traitement et de l'utilisation des résidus des eaux de curage. Selon la technologie actuelle d'épuration des eaux, une station d'épuration d'eau ayant une capacité de 1000000 m3 par jour consomme environ 50000 m3/jour d'eau de curage. Ces eaux de curage contiennent près de 2500 m3 de résidus. La plupart des usines de distribution d'eau des divers pays du monde évacuent les eaux de curage, avec le résidu qu'elles contiennent vers des bassins d'eau avoisinants qui souvent, sont les mêmes que ceux qui servent de sources d'alimentation en eau. Ceci provoque une grave pollution de l'environnement, surtout dans le cas où les usines d'eau sont échelonnées en cascade aux bords de grands fleuves et lorsque la station située en aval effectue l'épuration non seulement de l'eau de départ mais aussi un pourcentage important du résidu rejeté par la station précédente. Moins fréquemment, les eaux de curage sont soumises à une décantation et sont soit recyclées dans le processus d'épuration soit utilisées, en y ajoutant un certain pourcentage d'eau pure, pour le lavage des filtres. Actuellement, on connaît un assez grand nombre de procédés de traitement du résidu des eaux de curage. En règle générale, on soumet les résidus des eaux de curage à un épaississement en les décantant durant plusieurs jours, en les filtrant au moyen de filtrestambours à vide, ou en les centrifugeant. Toutefois, la haute résistance spécifique du résidu ne permet pas d'en éliminer l'humidité et, par conséquent, nuit à son épaississement, ce qui rend sa filtration et sa centrifugation peu efficaces. Pour la même raison, les efforts faits actuellement pour prévenir la pollution de l'environnement par les résidus des eaux de curage consistent à réduire le volume du résidu en le soumettant à un séchage thermique ou à une congélation. La congélation du résidu, aussi bien que son séchage thermique, permettent de réduire de plusieurs dizaines de fois le volume du résidu et d'élever en même temps sa concentration. Il est connu notamment un procédé de traitement du résidu des eaux de curage, décrit dans le brevet américain n0 3720608, consistant à déshydrater les résidus au moyen d'un séchage thermique. On a proposé également, dans une étude publiée dans la revue américaine "Water and Sewage Works", vol 112, ne11, 1965, p.p. 401-406, un procédé de traitement du résidu des eaux de curage, consistant à déshydrater le résidu au moyen d'un traitement thermique précédé par la congélation et le dégivrage dudit résidu en vue de la destruction de sa structure et, de ce fait, de l'élévation de l'effi- cacité de la déshydratation. Il est en outre connu un procédé de traitement de résidus décrit dans la revue américaine "AWWA", vol. 61, n0 10, 1966, pp. 541-566, selon lequel on déshydrate le résidu par congélation suivie d'une filtration à vide. Tous les procédés de traitement de résidus mentionnés ci-dessus permettent de réduire de plusieurs dizaines de fois le volume du résidu et d'augmenter en même temps sa concentration. Toutefois, tous ces procédés sont extrêmement motteux, puisqu'ils nécessitent l'emploi d'un équipement spécialisé et consomment beaucoup d'énergie. De surcroît, ils ne résolvent pas les problèmes de la protection de l'environnement contre la pollution par les résidus, vu qu'un résidu déshydraté par n'importe quel procédé est transporté toujours à une voirie où il est dissout par les pluies, les eaux de fonte et de crue et pénètre de nouveau dans les bassins d'eau et les nappes aquifères. De cette façon, malgré une sensible augmentation du cotit des processus de traitement du residu,supérieur, dans certains cas, au cotit du processus d'épuration des eaux ménagères et potable, la technologie actuelle ne permet pas d'éviter la pollution de l'environnement par les résidus des eaux de curage que l'on n'a jamais utilisés. Seule l'utilisation des eaux de curage ou du résidu qu'elles contiennent permet, de ce point de vue, de résoudre d'une façon radicale le problème de la protection de l'environnement de sorte qu'il soit conforme aux exigences imposées par le maintien de l'équilibre écologique. Bien que le problème de la protection de l'environnement contre la pollution par les résidus des eaux de curage se pose depuis longtemps, il n'est pas résolu juqutà présent à cause du manque de procédés d'utilisation desdits résidus. La présente invention vise par conséquent un procédé d'utilisation du résidu des eaux de curage, dont la mise en oeuvre permettrait d'utiliser ledit résidu d'une façon suffisamment efficace et d'éviter la pollution de l'environnement par de tels résidus. A cet effet, on propose un procédé d'utilisation du résidu,obtenu par décantation, des eaux de curage d'installation de filtrage, dans lequel suivant l'invention, on incorpore le résidu des eaux de curage dans un mélange pour la préparation de béton en qualité d'agent de gâchage. L'incorporation du résidu des eaux de curage dans lesdits mélanges permet, pour la première fois dans la technique, d'utiliser ledit résidu et de ltemptcher de polluer 1' environnement. Il est utile, si le résidu des eaux de curage contient essentiellement des sels d'aluminium, que la qantité de résidu introduite dans le mélange de préparation de béton soit choisie de façon à assurer un rapport eau/ciment compris dans les limites de 0,35 à 0,70, ledit résidu étant incorporé dans un mélange de béton humidifié au préalable0 L'incorporation de telles quantités de résidu, contenant essentiellement des sels d'aluminium, dans un mélange de préparation de béton humidifié au préalable, outre qu'elle permet de l'utiliser et de prévenir par là la pollution de l'environnement, présente l'avantage de permettre l'obtention d'un béton qui, par ses caractéristiques de résistance, correspond à celui qu'on gâche avec de l'eau de robinet, L'incorporation du résidu en quantités assurant un rapport eau/ciment inférieur à 0,35 affecte sensiblement les caractéristiques de résistance dubéton, vu l'humidification insuffisante du mélange à béton, et complique le processus de compactage du béton. L'incorporation du résidu en quantités assurant un rapport eau/ciment supérieur à 0,7 nuit aux caractéristiques de résistance du béton à cause de l'humidification excessive du mélange. Ce dernier doit être soumis au préalable à une humidification, sinon les sels d'aluminium peuvent détruire la structure cristalline du béton formé. Il est également utile, si le résidu des eaux de curage contient essentiellement des sels de fer, qu'il soit ajouté au mélange de préparation de béton en quantités assurant un rapport eau/ciment allant de 0,35 à 0,70. L'incorporation de telles quantités de résidu contenant essentiellement des sels de fer permet non seulement d'utiliser ledit résidu et de prévenir par là la pollution de l'environnement, mais présente en outre l'avantage de permettre l'obtention d'un béton ayant des caractéristiques de résistance plus élevées que celles du béton gâché avec de l'eau de robin . L'obten- tion de ces hautes caractéristiques de résistance du béton est due non pas à l'accroissement de son poids, mais à la création de structures plus résistantes dues à l'interaction entre les précipités contenant du fer et le ciment.L'addition de résidu en quantités assurant un rapport eau/ciment inférieur à 0,35, affecte sérieusement les caractéristiques de résistance du béton, vu l'humidification insuffisante du mélange de béton, et complique le processus de compactage du béton. L'introduc- tion du résidu en quantités assurant un rapport eau/ciment supérieur à 0,7 nuit également aux caractéristiques de résistance du béton, par suite de l'humidification excessive du mélange à béton. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparattront mieux à la lumière de la description explicative,qui va suivre, de modespréféréset non limitatifs de mise en oeuvre du procédé, objet de l'invention. Le procédé d'utilisation du résidu, obtenu par décantage des eaux de curage des installations de filtrage, consiste à incorporer ledit résidu dans un mélange de préparation de béton en qualité d'agent de gâchage. Ledit résidu des eaux de curage provenant de sources de surface, lorsqu'il contient essentiellement des sels d'aluminium, est incorporé en quantités assurant un rapport eau/ciment compris entre 0,35 et 0,7, ledit mélange étant humidifié avant l'introduction dudit résidu. Quant au résidu des eaux de curage provenant de sources souterraines, qui contient essentiellement des sels de fer, on l'ajoute en quantités assurant un rapport eau/ciment compris entre 0,35 et 0,7. A titre expérimental, on a préparé un mélange sec de préparation de béton dont la composition était la même dans tous les essais. Pour préparer le mélange, on a utilisé les matériaux ci-après : ciment Portland type 100 passé à travers un tamis à mailles de 0,9 mm sable de rivière quartzeux de dimensions granulométriques de 0,14 à 5 mm, contenant jusqu'à 0,5,' d'impuretés nuisibles ; granit cassé de dimensions granulométriques de 5 à 30 mm, contenant jusqu'à 0,5,' d'impuretés nuisibles On a préparé le mélange sec dans un local à une température de 18 à 200C. Avant de préparer le mélange on a soumis les agrégats à un traitement dans une étuve de séchage à la température de 1050C jusqu'à l'obtention d'un poids constant. On a dosé les composantes au moyen d'une balance, avec une précision de dosage jusqu'à 1%. Le mélange sec a été préparé comme suit. Dans une quantité pesée de sable, on a introduit du ciment conformément aux calculs, on a remué le mélange ainsi obtenu jusqu'à l'obtention d'une teinte homogène, puis on a ajouté de l'agrégat grossier et on a remué tout le mélange sec jusqu'à ce qu'il soit distribué régulièrement suivant toute la masse. Le rapport en poids du ciment, du sable et du granit cassé dans le mélange sec ainsi préparé était de 1:2:3. On a réalisé deux séries d'essais. Dans la première série d'essais, on a gâché un mélange à béton humidifié au préalable en utilisant un résidu d'eaux de curage contenant des sels d'aluminium. Dans la deuxième série, on a g ché un mélange sec en employant un résidu d'eaux de curage contenant des sels de fer. Pour fabriquer les échantillons, on a procédé comme suit On a remué soigneusement le mélange juqu'à obtention de l'homogénéité nécessaire. La durée du brassage (à partir du moment ou ou' aiaajouél'agent de gachage) a été de I à 5 minutes. A titre de témoin, on a préparé un mélange gâché à l'eau de robinet. Dans tous les essais, on a fabriqué des cubes de béton à dimensions de 100 x 100 x 100 mm. La fabrication des échantillons s'est effectuée de la façon suivante. On a versé le mélange à béton fraichement préparé dans des moules métalliques et on installé ces dernièrs sur une table vibrante à fréquence d'oscillations de 2800 par minute. Pour les mélanges dans lesquels le rapport eau/ciment était inférieur à 0,45, on a appliqué, lors du vibrotassement, des vibrocharges en soumettant la surface à une pression spécifique de 50 g/cm2. Le vibrotassement du mélange à béton terminé, on a enlevé les restes du mélange de la surface du moule au moyen d'une règle en acier et on a lissé la surface supérieure exposée du mélange au moyen d'une truelle. Puis on a maintenu les échantillons ainsi préparés dans une chambre de durcissement normal à une température de 20 à 250C et une humidité relative de 90 à 9596. Lors des essais des échantillons de béton, les principaux critères adoptés étaient l'aspect extérieur et la résistance à la compression. Lors de l'examen extérieur des échantillons, on a contrôlé l'état de surface, la couleur, l'humidité, la présence de fissures et de vides. Puis ona soumis les échantillons de chaque série à des essais de résistance à la compression sur une presse hydraulique après 7, 28 et 365 jours. Pour fixer les idées, des exemples concrets mais non limitatifs de mise en oeuvre du procédé, objet de l'invention, sont décrits ci-après. Exemple 1 On a humidifié un mélange sec de préparationde béton avec de l'eau de robinet jusqu obtention d'un rapport eau/ciment égal à 0,3, et après avoir brassé soigneusement, on a introduit un résidu des eaux de curage d'installations de filtrage, contenant de l'hydro- xide d'aluminium. Quand on fabrique le béton avec un rapport eau/ciment inférieur à 0,35, on constate une sensible réduction de la résistance du béton, due à l'insuffisance de l'humidfication du mélange, et une complication du processus de compactage du béton. La quantité de résidu incorporé aété choisie de manière que la quantité totale d'eau ajoutée lors du gâchage dans le mélange soit respectivement de 0,35 0,40 ; 0,50 ; 0,60-; 0,70. La fabrication du mélange avec un rapport eaujcîment supérieur à 0,7 provoque une diminution des caractéristiques de résistance du béton préparé à partir d'un tel mélange surhumidifié. La composition du résidu incorporé dans le béton se caractérisait par les données suivantes Humidité 99,5 % Teneur en phase solide 0,5 96 Densité du résidu 2,35 g/cm3 Teneur en alllmflnium rapportée à Al203 après calcination 21,45 % Teneur en fer rapportée à Fe203 après calcination 0,24 No Teneur en sels durs rapportée à CaO + MgO 0,79 5' (sels causant la duretée de l'eau) 15,16 5' teneur en sulfate Teneur en chlorures 5,27 5' Teneur en oxide de silicium rapportée à SiO2 7,39% Teneur en impuretés organiques 50,7 % Pour chacun des rapports eau/ciment, on a préparé une série d'échantillons, au nombre de neuf. Les résultats des essais de résistance à la compression sont donnés dans le tableau 1. Le tableau 2 montre à titre de comparaison, les résultats des essais de résistance à la compression pour les échantillons témoins gâchés avec de l'eau de robinet. Comme il ressort de la comparaison des tableaux 1 et 2, le béton gâché avec le résidu des eaux de curage contenant des sels d'aluminium, avec un rapport eau/ciment dans les limites de 0,35 à 0,70, correspond, par ses caractéristiques de résistance, à celui qui est gâché avec de l'eau de robinet. Exemple 2 On a gâché un mélange sec de béton avec un résidu d'eaux de curage contenant des sels de fer. La fabrication du béton avec un rapport eau/ciment inférieur à 0,35 compromet la résistance du béton par suite de l'humidification insuffisante du mélange à béton et de la complication du processus de tassement du béton. La quantité de résidu incorporée a été choisie de manière que la quantité d'eau ajoutée lors du gâchage du mélange soit -respectivement de 0,35 ; 0,40 ; 0,50 0,60 ; 0,70. Quand on fabrique le mélange avec un rapport eau/ciment supérieur à 0,7, on constate une réduction des caractéristiques de résistance du béton préparé à partir d'un tel mélange surhumidifié. La composition du résidu était caractérisée par les données suivantes. Humidité 99,3 96 Densité du résidu-sec 2,7 g/cm2 Teneur en phase solide 0,7 46 Teneur en fer rapportée à Fe203 après calcination 84 9s Teneur en sels dur rapportée à CaO + MgO 15,1 % Teneur en impuretés organiques (humines) 0,63 % Teneur en impuretés non identifiées 0,2 46 On a préparé pour chacun des rapports eau/ciment une série d'échantillons, au nombre de neuf. Les résultats des essais de résistanceà la compression sont donnés dans le tableau 3. En comparant les tableaux 2 et 3 on voit que le béton gâché au moyen de résidu d'eaux de curage contenant essentiellement des sels de fer possède des caractéristiques de résistance plus élevées. Ces caractéristiques de résistance sont obtenues non à cause de l'accroissement du poids des échantillons, mais gracie à la création de structures de résistance plus élevée par suite de l'interaction entre le résidu contenant du fer et le ciment, alors que dans les procédés connus mis en oeuvre pour la fabrication de béton à haute résistance, l'accroissement de la résistance est dA à l'incorporation dans le béton d'agrégats à haute résistance (magnétite, hématite, déchets ou "scrap")de poids unitaire élevé. En conséquence, la mise en oeuvre du procédé, objet de l'invention, prévoyant l'utilisation de résidu d'eaux de curage contenant des oxydes de fer pour gâcher le béton, permet non seulement d'utiliser ledit résidu, mais aussi de fabriquer un béton à résistance élevée sans augmentation de son poids. Les exemples d'application décrits ci-dessus mettent en évidence la possibilité d'atteindre tous les buts et avantages de la présente invention dans le cadre de l'invention définie par les revendications. il est également évident que des modifications peuvent être apportées aux différentes opérations du procédé proposé, sans pour autant sortir du cadre de l'invention. Les avantages de la présente invention consistent en ce que, pour la première fois dans la technique, un procédé est proposé pour utiliser le résidu des eaux de curage et éviter ainsi la pollution de l'environnement. De plus, l'utilisation qui est ainsi faite dudit résidu est suffisamment efficace. Le béton qu'on fabrique en effectuant le gâchage au moyen du résidu des eaux de curage contenant essentiellement des sels d'aluminium est analogue, par ses caractéristiques de résistance, au béton classique gâché avec de l'eau de robinet. Le béton qu'on fabrique en effectuant le gâchage au moyen du résidu des eaux de curage, contenant essentiellement des sels de fer, a des caractéristiques de résistance supérieures à celle du béton classique gâché avec de l'eau de robinet, et est analogue aux bétons spéciaux à haute résistance, tout en ayant un poids spécifique inférieur à celui de ces derniers. La mise en oeuvre du procédé, objet de l'invention,' est très peu coûteuse du fait qu'elle ne nécessite aucun équipement spécialisé. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre de la protection comme revendiquée. TABLEAU 1 n de la rapport aspect Résistance à la compression, série eau/ciment extérieur 7 Jours 28 Jours 365 Jours Valeurs Valeur Valeurs Valeur Valeurs Valeur particu- moyenne particu- moyenne particu- moyenne lières lières lières 1 0,35 Surface 256 259 324 328 363 369 lisse, 259 305 383 Couleur 261 358 362 gris clair 2 0,40 " " 237 254 391 338 352 354 270 340 335 256 342 376 3 0,50 " " 153 154 248 253 252 253 151 250 244 157 262 263 4 0,60 Surface 105 103 167 177 218 223 mate, 80 176 226 couleur 124 188 224 grise 5 0,70 Surface mate, 81 76 111 103 131 132 couleur grise 71 101 127 avec des ta- 77 97 139 ches brunes TABLEAU 2 n de la rapport aspect Résistance à la compression, kg/cm série eau/ciment extérieur 7 Jours 28 Jours 365 Jours Valeurs Valeur Valeurs Valeur Valeurs Valeur particu- moyenne particu- moyenne particu- moyenne lières lières lières 1 0,35 Surface 247 251 331 336 372 366 lisse, 265 329 357 couleur 250 348 373 gris clair 2 0,40 " " 229 237 338 333 381 360 236 286 370 246 396 320 3 0,50 " " 145 158 232 251 231 259 152 250 252 176 270 275 4 0,60 Surface mate 101 98 179 185 228 228 couleur 102 196 230 grise 92 180 220 5 0,70 " " 83 74 101 108 125 137 75 113 138 63 109 149 TABLEAU 3 n de la rapport aspect Résistance à la compression, kg/cm série eau/ciment extérieur 7 Jours 28 Jours 365 Jours Valeurs Valeur Valeurs Valeur Valeurs Valeur particu- moyenne particu- moyenne particu- moyenne lières lières lières 1 0,35 Surface 235 241 334 327 400 409 lisse, 247 327 411 couleur 241 320 415 gris clair 2 0,40 " " 260 236 343 330 401 413 232 314 422 220 332 416 3 0,50 Surface 170 162 253 267 275 301 lisse, 156 260 280 Couleur 160 290 348 marron clair 4 0,60 " " 113 124 196 203 268 277 120 203 278 138 210 286 5 0,70 Surface mate, 61 69 105 104 151 144 couleur 82 107 138 marron 64 101 143 clair REVENDICATIONS 1.Procédé d'utilisation du résidu des eaux de curage d'installations de filtrage obtenu par décantation, caractérisé en ce qu'on incorpore le résidu des eaux de curage dans un mélange pour la préparation de béton à titre d'agent gâchant. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, dans le cas d'un résidu contenant essentiellement des sels d'aluminium, la quantité de résidu à introduire dans le mélange de préparation de béton est choisie de façon que le rapport eau/ciment dans ledit mélange soit compris dans les limites de 0,35 à 0,70, ledit mélange étant humidifié avant l'introduction dudit résidu. 3. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que dans le cas d'un résidu contenant essentiellement des sels de fer, la quantité de résidu à introduire dans le mélange de préparation de béton est choisie-de façon que le rapport eau/ciment dans ledit mélange soit compris dans les limites de 0,35 à 0,70. 4o Béton, caractérisé en ce qu'il est obtenu par application du procédé faisant l'objet de l'une des revendications 1, 2 et, 3.