Brevet FR2482947A1 — publié le 19811127

La présente invention concerne les procédés d1épura- tion des eaux usées et a notamment pour objets un procédé de traitement de boues d'eaux usées, ainsi que les boues traitées conformément audit procédé. L'invention peut être utilisée avec succe#s pour traiter en particulier les boues des eaux ménageres-et urbaines ,les boues des eaux résiduaires des usines de pètes et papiers, de l'industrie de la viande, de la laiterie, de l'industrie alimentaire. Le traitement des boues d'eaux usées comprend en général les étapes suivantes : condensation, stabilisation, conditionnement, déshydratation et soit utilisation, soit annihilation des boues traitées. L'6tape de condensation des boues constitue en général une partie intégrante de tout processus technologique visant leur traitement. Le procédé de condensation le plus simple et le plus économique est la condensation par gravité. La stabilisation des boues a pour but de prévenir leur putréfaction. La méthode de stabilisation la plus répandue est la digestion anaérobie dans des digesteurs de boues. Pour assurer une déshydratation efficace des boues, on procède à leur préparation préalable ou conditionnement visant à améliorer leurs propriétés du point de vue du rendement d'eau en modifiant leur structure et les formes de liaison de l'eau. Parmi les méthodes de conditionnement assez largement employées de nos jours, on peut citer le traitement aux réactifs et le traitement thermique des boues.Le procédé de conditionnement le plus connu est celui qui consiste à traiter la boue avec des réactifs. On utilise dans ce cas des composés inorganiqu#s et organiques, nommés respectivement coagulants et floculants. son tant que coagulants on emploie le plus souvent des sels de métaux (sels de Ber et d'aluminium) et des réactifs acides (acides). Ces actifs sont utilisés soit en association, soit séparément, en fonction de la composition de la boue et d'autres conditions. Parmi les floculants on distingue les floculants cationiques, non ioniques et anioniques.Le plus souvent, le conditionnement des boues s'effectue par traitement avec des coagulants suivi d'un traitement aux floculants. La déshydratation ultérieure des boues est effectuée dans des conditions naturelles (sur des lits de séchage ou dans des étangs de boue) ou artificielles (au moyen de filtres à vide, de filtres-presses, d'essoreuses, de vibrofiltres et de séparateurs.) Les technologies da traitement des boues sont très variées, le choix d'une technologie particulière dépendant de plusieurs facteurs : propriétés des boues, leur quantité, conditions climatiques, terrains disponibles, etc. On connait, par exemple, un procédé de traitement de boues d'eaux usées avec des floculants organiques (voir demandes de brevet d'invention Grande-Bretamne N0 1460318 et N#1460319). Ce procédé nécessite une quantité importante de floculants, la boue déshydratée conserve un haut degré d'humidité, ce qui oblige les stations d'épuration à augmenter les dépenses pour le traitement et l'utilisation des boues. Plus rationnel est le procédé de traitement de boues d'eaux usées, comprenant une condensation de la boue de décanteurs primaires et de boue activée, un chauffage, un traitement de la boue avec un floculant organique et une déshydratation mécanique (voir demande de brevet d'invention R.F.A. NO 2103970). La consommation de floculants organiques, dans ce procédé, est quelque peu réduite en comparaison du procédé précédent grâce à la coagulation partielle de la boue lors du chauffage, mais elle reste tout de même assez importante. En outre, après la déshydratation mécanique, la boue conserve un degré d'humidité relativement élevé. On a retenu comme prototype de la présente invention le procédé de traitement de boues d'eaux usées décrit dans la demande de brevet R.F.A. N02317673. Ce procédé comprend, dans 1 ' ordre des opérations : une digestion dans des digesteurs de boue, une condensation de la boue digérée, un chauffage de la boue à une température de 70 à I 000C par introduction de vapeur à basse pression, un refroidissement à une température de 30 à 600C, une mesure du pH de la boue, un abaissement du pH iusqu'à Un@ valeur de 3 à 6 en traitant la boue avec un coagulant, une neutralisation de la boue, un traitement avec un floculant suivi d'une déshydratation mécanique.Dans ce procédé on utilise, en tant que coagulant, de l'acide sulfurique, du chlorure ferrique, ou leur combinaison. La consommation de floculant, dans ce procédé, est quelque peu réduite par rapport au procédé décrit plus haut, grâce à l'utilisation de coagulants. Cependant, l'opération de digestion de la boue, qui exige 1' remploi de digesteurs rend le processus de traitement de la boue plus compliqué et moins économique. Le chauffage, après condensation, de la boue à une tempé- rature de 70 à 1000C par introduction de vapeur à basse pression et le refroidissement ultérieur de ladite boue sont un processus de longue durée qui, par ailleurs, augmente l'humidité et accroît la quantité de boue par suite de la condensation de la vapeur. Ceci rend le processus de déshydratation de la boue plus compliqué. De plus, en conduisant de la sorte ce stade du traitement de la boue, on constate qu'use partie des substances collo#dales de la boue passe en état de dissolution, de sorte que la phase liquide obtenue à la suite de la déshydratation de la boue (centrifugat, filtrat) est contaminée par des inclusions organiques et minérales dissoutes. Cela exige un traitement supplémen- taire de la phase liquide avant son évacuation dans les ouvrages d'épuration de type, ce qui rend l'épuration des eaux usées et le traitement des boues plus compliqués et cotteus. La variation du pH durant le traitement, du fait de sa diminution, après chauffage, jusqu'à une valeur de 3 à 6, effectuée par traitement de la boue avec un coagulant, suivi d'une neutralisation iar élévation du pH) et d'un traitement de la boue neutralisée avec un floculant organique, entrain la formation de flocons qui ne sont pas résistants aux efforts de cisaillement, de sorte que la condition essèntielle à laquelle doit satisfaire la boue à déshydrater n'est pas remplie, ce qui diminue l'efficacité de la déshydratation mécanique ultérieure de la boue, le centrifugat et le filtrat étant contaminés par les flocons fractionnés. En outre, comme la coagulation et la floculation de la boue sont effectuées à une température de 30 à 600C et à un pH du milieu qui varie au cours du traitement, on ne peut pas assurer une coagulation et un floculation irréversibles des substances protéique , c' est-à-dire qu'une partie des substances protéiques repassent dans ces conditions à l'état colloïdal, ce qui nécessite une quantité supplémentaire de coagulants et de floculant pour leur coagulation et leur floculation, A leur tour, la coagulation et la flocualtion de la boue à des valeurs de pH non optimales n'assurent pas une élimination maximale de l'eau liée de la boue, de sorte que la concentration de la boue déshydratée est relativement basse. il ressort de ce qui précède que le procédé décrit n'est pas assez efficace, exige une quantité importante de réactifs et est difficile à réaliser. La présente invention vise un nouveau procédé de traitement de boues d'eaux usées, dans lequel tordre de succession des opérations à exécuter et leurs paramètres seraient tels, qu'ils permettraient d'augmenter l'efficacité du procédé, le rendraient plus simple et diminueraient la consommation de réactifs. Ce but est atteint du fait que le procédé de traitement de boues d'eaux usées, du type comprenant une condensation de la boue, son chauffage, une mesure du pli de la boue, un abaissement du pH par traitement de la boue avec un coagulant, une neutralisation de la boue, son traitement avec un agent floculant et sa déshydratation mécanique, est carac térisé, selon l'invention, en ce qu'on effectue la mesure du pH de la boue et l'abaissement dudit pH directement après la condensation de la boue, puis on la chauffe, on la traite avec un agent floculant, on la soumet à une déshydratation mécanique et on la neutralise, ledit abaissement du pH étant effectué jusqu'à une valeur correspondant à l'état isoélectrique de la boue, et ledit chauffage étant réalisé jusqu'à une température de 65 à 750C. Grâce au fait que l'abaissement du pH est réalisé directement après la condensation de la boue et avant l'obten- tion d'un état isoélectrique dans lequel ses particules sont électriquement neutres, et qu'ensuite sont effectues le chauffage de la boue jusqu'à unetempérature de 65 à 750C et le traitement de la boue ainsi chauffée avec un agent floculant, on réussit à obtenir de gros flocons compacts et résistants, ce qui 'signifie que la condition essentielle à laquelle doit satisfaire la boue conditionnée est remplie. Ceci assure une augmentation de l'efficacité du traitement ultérieur de la boue et l'obtention d'une boue déshydratée à concentration maximale et à structure friable. Lors du chauffage de la boue dans l'intervalle de 65 à 750C au voisinage de son point isoélectrique, il se produit une coagulation irréversible des substances protéiques, empochant le passage de ces substances protéiques à i état collordal. Ceci améliore la qualité de la phase liquide de la boue apres la déshydratation. Etant donné que la boue est traitée avec le floculant lorsque ses particules sont près du point isoélectrique, la consommation de réactifs diminue. En traitant la boue selon le procédé proposé, oa nga plus besoin d'effectuer sa digestionS ce qui simplifie le processus Outre cela, une boue humide contiens moins de particules colloïdales et son pH est plus bas que dans le cas d'une boue digérée. Cela réduit la consommation de réactifs (coagulants et floculants). il est avantageux de chauffer la boue au moyen d'un chalumeau à gaz immersible. Cela assure le maintien de la concentration de la boue dans les limites où elle se trouvait après la condensation, ce qui signifie que le chauffage ne diminue pas la concentration de la boue (comparativement au prototype décrit plus haut). Cela rend le procédé plus efficace et simple. En outre, grâce à l'utilisation de chalumeaux à gaz immersibles, 1 'oxyde carbonique contenu dans les gaz i calibustionsedissout dMsla boueetforae du gaz carbonique,de sorte que la consommation de coagulant diminue. Tout cela améliore l'efficacité du procédé, réduit la consommation de réactifs et rend le procédé plus simple. 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 différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemplesnon limitatifs, avec référence#au dessin unique annexé dans lequel - la figure 1 illustre la relation entre le temps d'aspiration capillaire et le pH de la boue - la figure 2 illustre les variations du pH de la boue en fonction de la quantité de coagulant. Conformément au procédé proposé, on mélange la boue obtenue dans des décanteurs primaires avec de la boue activée en excès et on les fait condenser coniointement dans un appareil de condensation par gravité muni d'un mélangeur à barres. On détermine le pH de la boue ainsi condensée0 Punis, à l'aide des graphiques présentés sur les figures 1 et 2, on détermine la valeur da pH qui correspond à 1 'étant isoélectrique de la boue et la quantité de coagulant qui est nécessaire pour abaisser la valeur initiale du pH Jusqutà une valeur correspondant à l'état isoélectrique de la boue. En tant que coagulant on peut utiliser, par exemple, de l'acide sulfurique, des sels de métaux, où encore des compositions dudit acide et desdits sels.On introduit dans la boue la quantité de coagulant déterminée à l'aide du graphique présenté sur la figure 2. Le pli ayant atteint la valeur correspondant à l'état isoélectrique de la boue, on chauffe celle-ci, au moyen d'un chalumeau à gaz immersible ou d'un échangeur de chaleur à spirale, jusqu'à une température de tordre de 65 à 75~C. Il se produit alors une brusque inténsification du processus de coagulation de la boue. La température de chauffage de la boue est choisie expérimentalement-Puis on introduit dans la boue chauffée un floculant. Après cela, la boue est essorée (déshydratée) dans une centrifugeuse ou une presse à filtre.On introduit ensuite dans la boue déshydratée de la chaux vive ou un alcali afin de la neutraliser et de réduire encore plus son humidité. Ci-dessaus sont donnés des exemples concrets d'essais réalisés conformément au procédé proposé de traitement de boues d'eaux usées. A cette fin, on a préparé trois portions égales de boue. Chaque portion se présentait comme un mélange de boue de décanteurs primaires d'une concentration de 0,6 %,introduit à raison de 18 m3/h, et de boue activée en excès d'une concentration de 0,4 %,à raison de 27 m3/h (rapport en substances sèches 1:1). Exemple 1 On a fait condenserune portion de boue dans un appareil de condensation par gravité muni d'un mélangeur à barres, jusqu'à la concentration de 4,5 %. On a déterminé ensuite la valeur initiale du pli de la boue, qui s'est avérée égale. à 6,95. Puis, à l'aide du graphique de la figure 1 illustrant la relation entre le temps d'aspiration capillaire et la valeur du pli de la bonze, on a déterminé la valeur du pH correspondant à l'état isoélectrique de la boue, cette valeur étant égale à 3,0. Ensuite, à l'aide du graphique de la figure 2 montrant la variation du pH de la boue en fonction de la quantité de coagulant, d'acide sulfurique notamment, on a déterminé la dose d'acide sulfurique nécessaire pour abaisser le pH de 6,95 à 3s0. Cette dose s'est avérée égale à 6,7 %, exprimée par rapport à la substance sèche de la boue. On introduit cette dose dans la boue condensée. La valeur du pli ayant atteint 3,0, on a chauffé la boue au moyen d'un chaluseau à gaz immersibie, jusqu'à la température de 700C. On a introduit dans la boue ainsi chauffée un floculant (dans le cas considéré , un floculant cationique) à raison de 0,150,' (par rapport à la substance sèche de la boue). Ensuite on a soumis la boue à une déshydratation mécanique dans une centrifugeuse. L'humidité de la boue déshydratée était de 72,'. Lors de la centrifugation de la boue ainsi traitée le taux de captage des particules solides de la boue a été de 98 à 99,'. Le besoin chimique du centrifugat en oxygène était inférieur à IgIl. On a mélangé la boue essorée avec de la chaux afin de restaurer son pH. La quantité de chaux introduite était égale à 10 % (exprimée par rapport à la substance sèche de la boue). Exemple 2 On a fait condenserune portion de boue comme dans l'exemple 1 jusqu'à une concentration de 4,5 %. On a déterminé la valeur initiale du pli de la boue, qui était égale à 6,95. Puis, à l'aide du graphique de la figure 1, on a déterminé la valeur du pH correspondant à l'état isoélectrique de la boue : elle était de 5,0. A l'aide du graphique de la figure 2, on a déterminé la dose de coagulant (dans le cas considéré, une composition d'acide sulfurique et de chlorure ferrique3 nécessaire pour abaisser le pH de 6,95 à 3,0. Cette dose était égale à 3,0 % pour l'acide sulfurique et à 5,5 ,' pour le chlorure ferrique, par rapport à la substance sèche de la boue.On a introduit cette dose de coagulant dans la boue condensée. Lorsque le pli est devenu égal à 3,0, on a chauffé la boue comme dans l'exemple i. On a introudit dans la boue chauffée un floculant (dans le cas considéré, un polyacrylamide) à raison de 0,135 96 par rapport à la substance sèche de la boue. Puis on a soumis la boue à un essorage mécanique dans une centrSt4puse.L'humidité de la boue déshydratée était de 70 %. Le taux de captage des particules solides lors de la centrifugation de la boue traitée était de 98 à 99 %. Le besoin chimique du centrifugat en oxygène était inférieur à 1 g/ l. Puis on a traité la boue déshydratée avec de la chaux comme dans l'exemple 1. Exemple 3 On a fait condenser une portion de boue comme dans l'exemple I, jusqu'à une concentration de 4,5 %. On a ensuite déterminé la valeur initiale du pH de la boues qui était de 6,95. Puis, à l'aide du graphique #e la figure 1, on a déterminé la valeur du pH correspondant état isoélectrique de la boue : cette valeur était égale à 3,0. A l'aide du graphique de la figure 2, on a déterminé la quantité de coagulant (dans le cas considéré, de chlorure ferrique) nécessaire pour abaisser le pH de 6,95 à 3,0. Cette dose était égale à 10 % par rapport à la substance sèche de la boue. On a introduit cette dose de chlorure ferrique dans la boue condensée. La valeur du pH étant devenue égale à 3,0, on a chauffé la boue comme dans l'exemple 1. Puis on a ajouté à la boue ainsi chauffée un floculant (dans le cas considéré, un polyacrylamide) à raison de 0,135 % par rapport à la substance sèche de la boue. Ensuite on a soumis la boue à une déshydratation mécanique dans une centrifugeuse. L'humidité de la boue ainsi déshydratée était de 71 %. Le taux de captage des particules solides de la boue lors de la centrifugation a été de 98 à 99 %.Le besoin chimique du centrifugat en oxygène était inférieur à I g/ls La boue déshydratée a été traitée ensuite avec de la chaux comme dans l'exemple étant donné que les di#érentes boues ont des proprié- tés différentes, il est évident que les relations données dans les graphiques (figures I et 2) peuvent elles aussi différer. il est nécessaire de dresser un graphique parti- cuiller pour chaque type de boue. Les résultats des essais réalisés conformément an procédé proposé sont réunis dans le tableau 1. On a étudié en outre l'influence de la température de chauffage sur l'efficacité du traitement de la boue. Ces données sont réunies dans le tableau 2. Comme le montre le tableau 2, la boue chauffée à 65-750C #résente la concentration la plus élevée. Les avantages du procédé proposé de traitement de boues d'eaux usées sont sa plus grande simplicité, l'amélioration de l'efficacité du processus d'épuration des boues et la réduction de la consommation de réactifs. Ces avantages sont illustrés par le tableau 3 présentant des données techniques relatives au fonctionnement d'une station d'épuration d'un rendement de 1500 000 m3 d'eaux usées par jour, mettant en oeuvre le procédé proposé, et d'une station analogue mettant en oeuvre le procédé adopté comme prototype de la présente invention. Bien entendu4 l'invention n'est nullement limitée aux iodes de réalisations décrits et représentés 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 Procédé de traitement Procédé proposé Proto Caractéristiques type Exem- Exem- Exem pie 1 pie 2 pie 3 Boue des décanteurs primaires quantité, m3/h 18 18 18 1,35 concentration, % 0,6 0,6 0,6 8,0 Boue activée, en excès quantité, m3/h 27 27 27 5,4 concentration, % 0,4 0,4 0,4 2,0 Mélange condensé de boues quantité, m3/h 4,8 4,8 4,8 6,75 concentration, 5' 4,5 4,5 4,5 3,2 Consommation d'acide sulfurique, 5' 6,7 3,0 - 4,0 Consommation de chlorure ferrique, % - 5,5 1010 796 Consommation de chaleur pour le chauffage, 1105x10 1105x10 1105x10 1553x10 kJ/h Consommation de floculant, % 0,150 0,135 0,135 0,200 Humidité de la boue déshydratée, % 72 70 71 77 Taux de captage des particules solides,5' 98-99 98-99 98-99 94-95 Besoin chimique du centrifugat en oxygène , g/l 1 4 Consommation de chaux, % 10 10 10 10 Structure du gâteau de filtration friable, friable, friable, piteuse non non non fluide fluide fluide TABLEAU 2 Température de chauffage de la boue, ~C 55 65 75 85 Temps d'aspiration capillaire de la boue chauffée, s 56,3 15,2 14,7 -30,2 Concentration de la boue déshydratée, % 24,8 28,8 28,9 25,3 TABLEAU 3 Procédé de traitement Procédé proposé Proto- Caractéristiques Procédéproposé type Exem- Exem- Exem pie 1 pie 2 pie 3 Rendement de la station d'épuration, mille m3/j 1500 1500 1500 1500 Quantité de boues rapportée aux subs tances sèche,t/j 300 300 300 300 Quantité de boue déshydratée, t/j 1170 1120 1170 1430 Consommation de floculant,kg jj 450 405 450 600 Consommation d'acide sulfu rique, t/j 20,1 9,0 - 12,0 Consommation de chlorure ferrique, t/j - 17,5 30,0 21,0 Consommation de gaz naturel pour le chauf fagne de la boue,m3 / 1800 1800 1800 2500 Consommation de vapeur, t/j - - 750 Consommation de chaux, .t/j 30 30 30 30 REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement de boues d'eaux usées, du type comprenant une condensation de la boue, un chauffage, une mesure du pH de la boue et une diminution dudit pH par traitement de la boue avec un agent coagulant, une neutralisation de la boue, un traitement de celle-ci avec un agent floculant, et une déshydratation mécanique, caractérisé en ce qu'on mesure le pH de la boue et on diminue son pH directement après sa condensation, après quoi on chauffe la boue, on la traite arec l'agent floculant , on la soumet à une déshydratation mécanique et on la neutralise ,ladite diminution du pH étant réalisée jusqu'à une valeur correspondant à l'état isoélectrique de la boue, et ledit chauffage de la boue étant réalisé Jusquth une température de 65 à750C. 2. Procédé de traitement de boue d'eaux usées selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on réalise ledit chauffage au moyen d#un chalumeau à gaz inmiersible. 3. Boues d'eaux usées6 caractérisées en ce qu'elles sont traitées conformément au procédé faisant l'objet de l'une des revendications 1 et 2.