Brevet FR2488592A1 — publié le 19820219

La présente invention concerne un dispositif pour le conditionnement chimique de boues. Les quantités de boues brutes se déposant dans des installations d'épuration ont tendance à augmenter de plus en plus. Les boues proviennent en majeure partie d'eaux usées communales et industrielles. Des boues brutes classiques contiennent beaucoup d'eau et leur teneur en substances sèches est en moyenne comprise entre 2 et 10 % en poids, et la plupart du temps entre 4 et 6 % en poids. En conséquence il faut effectuer une déshydratation avant leur élimination. La déshydratation des boues, réalisée jusqu'à maintenant d'une manière classique par voie naturelle consis- tant à lés faire déposer sur de-s plans de séchage de grande étendue, des emplacements de stockage, etc.., est de plus en plus remplacée par une déshydratation mécanique o on appli- que des procédés de préférence statiques, comme une filtra- tion avec des filtres-presses (qui produisent des filtrats à haute teneur en substance sèche et à faible pourcentage de solides) ou bien à l'aide de presses à bandes ou de filtres tournants, mais également des procédés dynamiques comme le procédé de séparation d'eau par centrifugation dans des séparateurs centrifuges (centrifugeuses à décantation) ou bien dans des hydrocyclones. Suivant leur origine, les boues sont très diffé- rentes dans leur composition et d'après leur structure physico-chimique peuvent aller d'une nature colloïdale jusqu'à une dispersion grossière. En fonction de la nature et du pourcentage de boue primaire (boue de préclarification) et de boue secondaire (boue en excès provenant de la phase d'activation), ainsi que du degré de stabilisation anaérobie ou aérobie et de la teneur en boues industrielles, on enregistre une variation de la composition et du pouvoir de liaison de l'eau, et par conséquent également de la fraction quantitative d'eau interstitielle, d'eau d'adhérence, d'eau de capillarité et d'eau interne de la boue. La déshydratation mécanique d'une boue constitue par conséquent une phase opératoire clé du traitement de la boue. L'objectif à atteindre consiste à effectuer une déshydratation aussi poussée que possible, afin de réduire le volume de boue à traiter, d'améliorer la consistance et de diminuer les dépenses en énergie lors de la calcination de la boue ou bien les frais de transport et de dépôt lors du stockage. D'une manière classique, on s'efforce, pour obtenir le plus court temps possible de compression de la boue, d'augmenter la teneur en substances sèches d'environ % en poids jusqu'à environ 35 à 50% en poids. -Pour la déshydratation, il est nécessaire de "conditionner" la boue, c'est-à-dire de la soumettre à un traitement thermique ou chimique par lequel on supprime l'état colloïdal afin qu'il se produise une floculation et que la suspension boueuse soit convertie en un état filtrable. Sans conditionnement préalable, il n'est pas possible d'aug- menter le degré de déshydratation de la boue s'accumulant dans des installations d'épuration. Les paramètres optimaux de conditionnement sont à chaque fois déterminés par des essais et on doit les choisir de façon que, lors de la déshydratation ultérieure de la boue, par exemple à l'aide d'un filtrepresse, on obtienne une galette de filtrat qui soit consistante, qui soit uniformément humidifiée, qui contienne une teneur d'au moins 35 % en poids de substances sèches et qui puisse, au bout d'une période de compression aussi courte que possi- ble, être facilement évacuée des cavités existant entre les plateaux de filtrage de la presse. Les installations connues de conditionnement de boues se composent dans la plupart des cas concrets d'un récipient mélangeur d'un volume utile de 1 à 5 m' et elles sont équipées d'un mécanisme agitateur et de conduits corres- pondants d'alimentation en produits -d'addition. Comme agents de conditionnement de boues, on utilise la plupart du temps des agents minéraux de floculation (appelés également des "agents de précipitation"), tels que les chlorures et sulfates de l'aluminium et du fer, qui sont utilisés pratiquement toujours en combinaison avec un agent de neutralisation (de préférence de l'hydroxyde de calcium). D'une manière classique, on ajoute à la boue d'abord l'agent de floculation, puis l'agent de neutralisa- tion. Le cas échéant, on peut ajouter en outre des agents auxiliaires de floculation de nature organique et de poids moléculaire élevé, comme par exeMple des polyacrylamides. On suppose qu'initialement, grâce à l'addition de l'agent minéral de floculation, l'état colloïdal de la boue est supprimé et qu'il se produit une floculation primaire. L'hydroxyde de calcium ajouté ensuite sous forme d'une suspension augmente alors le pH de la boue, il provoque une augmentation des flocons et il sert ultérieurement de squelette de soutien dans la galette de filtrat. Lorsqu'on utilise du chloro-sulfate ferrique (III) (FeClSO4),qui est très efficace comme agent de floculation pour l'épuration des eaux usées et le traitement de l'eau, il est possible que, lors du conditionnement d'un grand nombre de boues, on rencontre des difficultés tech- niques consistant en ce que, lors de l'opération de filtra- tion sous pression effectuée à la suite, par exemple dans un filtrepresse à chambre, on obtienne des galettes de filtrat trop molles, c'està-dire des galettes ayant une trop faible teneur en substances sèches et dont le traitement ultérieur est difficile. (H.G. Klostermann: Berichte der Abwassertechnischen Vereinigung e.V (1979), nO 31, pages 173 à 180). Il s'est avéré que les dispositifs classiques de conditionnement à un seul étage utilisés jusqu'à maintenant dans des installations de déshydratation de boues ne conviennent pas, dans la plupart des cas, pour l'application du chloro-sulfate ferrique-(III), car la densité et la viscosité de la solution aqueuse concentrée de FeClSO4 sont si différentes de celles de la boue que le mélange s'effec- tue relativement lentement. Ainsi, en fonction du type de construction du dispositif, la boue et la solution de chloro-sulfate ferrique (III) ne se mélangent pas quanti- tativement l'une avec l'autre avant que ne soit effectuée l'addition de l'agent de neutralisation. Fréquemment on -n'obtient également aucun mélange satisfaisant lorsque la solution de chloro-sulfate ferrique (III) est déjà introduite dans le conduit de boue brute avant son entrée dans le mélangeur. En outre, la croissance ultérieure des flocons est altérée par les agitateurs qui existent dans la plupart des installations classiques. L'invention a en conséquence pour but de fournir un dispositif de conditionnement chimique-des boues, notam- ment en vue de l'utilisation de chloro-sulfate ferrique (III) comme agent de floculation. Selon l'invention, le dispositif se compose de deux récipients cylindriques branchés en série et dont les parties supérieures sont reliées entre elles par un tube de trop plein, disposé tangentiellement à leurs surfaces cylindriques et pourvu d'une liaison séparable, un tube d'entrée de boue étant disposé au-dessus du fond du premier récipient, tangentiellement à sa surface cylindrique, et un tube d'introduction d'une solution ou d'une suspension d'un agent de floculation étant disposé tangentiellement à ce tube d'entrée, deux autres tubes débouchant tangentielle- ment dans le tube de trop plein entre les récipients de manière à permettre l'introduction d'une solution ou d'une suspension d'un agent de neutralisation et/ou d'une solution ou d'une suspension d'un agent auxiliaire de floculation, tandis qu'un tube de sortie de la boue conditionnée est placé au-dessus du fond du second récipienten étant orienté tangentiellement à la surface cylindrique de celui-ci. Les volumes intérieurs des récipients sont généra- lement fonction de la puissance de la pompe à boue et de la quantité des substances d'addition. Avantageusement, le volume intérieur du second récipient est supérieur à celui du premier, car le débit de liquide passant dans le second récipient est plus grand que le débit passant dans le premier récipient. Ainsi par exemple le volume intérieur du premier récipient peut être de 20 1 et celui du second récipient de 28 1 et le rapport entre la hauteur intérieure et le diamètre intérieur des deux récipients peut être compris entre 1,4 et 2,1. Conformément à un mode avantageux de réalisation du dispositif selon l'invention, les tubes d'introduction de la solution ou de la suspension de l'agent de floculation, de l'agent de neutralisation et/ou de l'agent auxiliaire de floculation peuvent être pourvus de tubulures de diffé- rentes sections. Il est ainsi possible, pour des débits différents de boue, de maintenir en pratique constante la vitesse d'écoulement des différents composants d'addition. On peut compléter le dispositif, par exemple, par l'ins- tallation d'un appareil de commande du pH. D'autres avantages et caractéristiques de l'inven- tion ressortiront mieuxpe la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels les figures 1 et 2 représentent respectivement en vue latérale et en vue en plan-le dispo- sitif selon l'invention (mélangeur de conditionnement). La boue à conditionner est introduite dans la partie inférieure du récipient A à l'aide du tube d'entrée 1 qui est disposé au-dessus du fond de récipient A, tangen- tiellement à sa surface cylindrique. Il est en outre prévu, tangentiellement au tube d'entrée 1, un tube d'admission 2 à l'aide duquel une solution ou une suspension d'un agent de floculation est introduite dans la boue. Les deux courants de liquides se déplacent vers le haut et selon une spirale dans le récipient A, en étant soumis à un mélange intensif. Dans le tube de trop plein 3 qui relie tangentiellement les parties supérieures des récipients A et B débouchent tangentiellement les tubes d'admission 4 et 5 à l'aide desquels on peut injecter dans la boue une solution ou une suspension d'un agent de neutralisation et/ou une solution ou une suspension d'un agent auxiliaire de floculation, avant que cette boue pénètre, par l'inter- médiaire du tube de trop plein 3 pourvu d'une liaison séparable, par exemple la liaisonà brides 6, tangentiel- lement dans le récipient B o elle se déplace vers le bas selon une spirale en provoquant un mélange intensif addition- nel des composants, la boue conditionnée et maintenant homogène sortant du récipient B par l'intermédiaire du tube 7. D'une manière classique, comme décrit ci-dessus, l'agent de floculation est introduit dans la boue par l'in- termédiaire du tube d'alimentation 2, tandis que les tubes 4 ou 5 assurent l'introduction de l'agent de neutralisation; on peut également opérer inversement en introduisant l'agent de neutralisation par le tube 2 et l'agent de floculation par les tubes 4 ou 5. Le dispositif selon l'invention est bien plus petit, bien plus simple et d'une fabrication bien moins coûteuse que les installations classiques et il ne nécessite aucun mécanisme agitateur. En outre il peut être facilement transporté et monté. Le dispositif selon l'invention peut être appliqué d'une façon universelle pour le conditionnement de toutes les boues rencontrées en prati.que et faisant intervenir des agents de floculation de nature quelconque. Il augmente notamment la rentabilité de l'ensemble du processus de traitement des boues, du fait que les boues ainsi conditionnées peuvent être transférées directement dans le filtre-presse et du fait qu'il est possible d'obtenir, déjà au bout d'une courte période de compression, des galettes de filtrat ayant une haute teneur en substances sèches. Il convient en particulier pour l'utilisation de chloro-sulfate ferrique (III) comme agent de floculation. Cet agent peut intervenir sous la forme d'une solution aqueuse dont la concentration correspond à 30 à 45 % en poids de FeClSO4. Suivant la nature de la boue, il peut être avantageux de diluer la solution de chloro-sulfate ferrique (III), avant qu'elle soit ajoutée à la boue, avec de l'eaupour la porter à une concentration de 10 à 35 %, 7 2488592 de préférence 20 à 30 %, en poids de FeClSO4, ce qui peut être réalisé par exemple de façon continue dans un pré- mélangeur. On diminue ainsi les différences de densité et de viscosité existant entre la solution de chloro-sulfate ferrique (III) et la boue et on accélère le mélange. Après l'agent de floculation, la boue reçoit un agent de neutra- lisation constitué par de l'hydroxyde de calcium, par exemple sous la forme d'une suspension, dont la concentra- tion s'élève à 7 à 15 %, et de préférence à 10 %, en poids de Ca(OH)-2, le pH étant réglé à une valeur comprise entre et 12,5 de façon qu'il puisse se former des macro- flocons. Il est essentiel que le mélange du chloro-sulfate ferrique (III) et de l'hydroxyde de calcium à la boue soit effectué intensivement et avec le temps de séjour le plus court possible dans le dispositif mélangeur,sans qu'on ait à utiliser des agents auxiliaires comme par exemple des agitateurs, qui altèrent la croissance des flocons par - une action mécanique très longue. On obtient ce résultat en introduisant tangentiellement tous les composants dans le dispositif mélangeur, ce qui produit des courants en spirale qui garantissent un mélange rapide des composants. Le temps moyen de séjour de la boue, calculé depuis l'entrée dans le récipient A jusqu'à la sortie du récipient B, doit être de 4 à 10 secondes, de préférence de 6 à 8 secondes. Pour une pompe d'une capacité de 20 m3/h de boue brute et pour un dosage de 3,8 m'/h d'une suspension conte- nant 10 % en poids d'hydroxyde de calcium, le temps de séjour est par exemple de 7,8 s, et on obtient un mélange efficace de la boue avec l'agent de floculation déjà à la sortie du récipient A, c'est-à-dire au bout de 3,6 secondes. Pour réaliser de façon optimale le conditionnement, il est nécessaire que la vitesse d'écoulement de'la solution ou de la suspension de l'agent de floculation lors de l'entrée dans la boue, ainsi que la vitesse d'écoulement de la boue dans le tube d'entrée dans le récipient A, dans le tube de transfert entre les récipients A et B, et dans le tube de sortie du récipient B, ainsi que dans les récipients A et B, soient maintenues dans des plages déterminées. Ainsi la vitesse d'écoulement de la solution de chloro- sulfate ferrique (III) à l'entrée dans la boue 1 doit être comprise entre 1 et 10 m/s, de préférence entre 2 et 5 m/s. La vitesse d'écoulement de la boue dans le tube d'entrée dans le premier récipient A, dans le tube de transfert entre les deux récipients A et B et dans le tube de sortie du second récipient B doit être comprise entre 1 et 3 m/s, de préférence entre 1,3 et 2,5 m/s. En particulier la vitesse d'écoulement de la boue dans les récipients A et B doit, en fonction de la section interne de ceux-ci, être inférieure à 0,3 m/s, et de préférence comprise entre 0,08 et 0,2 m/s. Lorsque cette vitesse dépasse la valeur de 0,3 m/s, il se produit de trop grandes forces de cisaillement, de sorte que la croissance des flocons est altérée et qu'on a affaire à des boues difficilement filtrables. Le procédé selon l'invention permet le traitement ultérieur de la boue conditionnée immédiatement à la sortie du dispositif mélangeur, par exemple dans un filtre-presse à chambre. Du fait du mode opératoire avantageux, on évite la formation de dépôts, par exemple de tartre, qui se produisent éventuel- lement lorsqu'on introduit des agents de floculation conte- nant des sulfates dans des mélangeurs classiques, et qui peuvent provoquer des perturbations pendant l'opération de compression par suite d'un bouchage des tissus filtrants. L'utilisation du dispositif selon l'invention pour le conditionnement de boues permet d'obtenir lorsqu'on utilise du chloro-sulfate ferrique (III), par comparaison avec le conditionnement dans un mélangeur classique avec intervention d'un agent de floculation tel que du chlorure ferrique (III) ou bien du chloro-sulfate ferrique (III), les avantages suivants: Réduction de la consommation spécifique de sel de fer (calculé sous forme de Fe) et plus faible consommation de Ca(OH)2 (ces ceux quantités étant calculées par mètre cube de boue), bien plus faible temps de séjour dans le dispositif mélangeur, réduction de la durée de compression dans le filtre-presse et plus forte teneur en substance sèche de la galette de filtrat. L'invention va maintenant être illustrée par les exemples suivants, donnés à titre non limitatif EXEMPLE 1 Une boue brute (boue de clarification putréfiée contenant 20 % de boue secondaire),dont la teneur en subs- tance sèche s'élevait à 4,4 % en poids, a été refoulée à l'aide d'une pompe à boue, avec un débit de 25,0 m'Ih, par l'intermédiaire du tube d'entrée 1 dans le récipient A, dont le volume intérieur s'élève à 20 1. Dans le courant de boue, on a introduit à l'aide du tube d'admission 2, dont l'orifice de sortie a été rétréci à un diamètre inté- rieur de 6 mm, 229 1/h d'une solution aqueuse de chloro- sulfate ferrique (III), présentant une concentration de 21,1 % en poids de FeClSO4 (= 256 g de FeClSO4/1), ce qui correspondait à un dosage de 9, 16 1 de solution de FeCSO 4 (21,1 % en poids) par mètre cube de boue. La consommation spécifique en FeClSO4 s'est élevée, exprimée sous forme de Fe, à 0,70 kg Fe/m' de boue. A la sortie du récipient A, on a introduit dans ce mélange passant dans le tube de trop plein 3, par l'intermédiaire du tuyau d'admission 4, 3,7 m'/h d'une suspension aqueuse d'hydroxyde de calcium, présentant une concentration de 10 % en poids de Ca(OH)2. La consommation en hydroxyde de calcium, exprimée sous forme de Ca(OH)2, s'est élevée à 14,8 kg/m3 -de boue et le pH de la boue conditionnée a été de 12,2. On a ensuite fait passer la boue conditionnée dans le récipient B, dont le volume intérieur était de 28 1, et, au bout d'un temps de séjour de 6,3-secondes au total dans l'appareil mélangeur, la boue est sortie par le tuyau 7. Lors de la compression effectuée ensuite dans un filtre-presse à chambre, on a obtenu, après une période de compression de 55 minutes (plusieurs essais),des galettes de filtrat solides et faciles à enlever, présentant une teneur en substance sèche de 39 à 43 % en poids, ces galet- tes pouvant être correctement manipulées, c'est-à-dire empilées, transportées et stockées. La vitesse d'écoulement de la solution de chloro-sulfate ferrique (III) lors de l'entrée dans la boue s'est élevée à 2,2 m/s et la vitesse d'écoulement de la boue dans le tube d'entrée aboutissant au récipient A s'est élevée à 1,4 m/s et, dans le tube de trop plein existant entre les récipients A et B (après introduction de la suspension d'hydroxyde de calcium), ainsi que dans le tuyau de sortie du récipient B, à 1,6 m/s. La vitesse d'écoulement de la boue s'est élevée à 0,14 m/s dans le récipient A et à 0,11 m/s dans le récipient B, cette vitesse étant chaque fois rapportée à la section intérieure des récipients. EXEMPLE 2 (exemple de comparaison avec un mélangeur de conditionnement classique) Dans un mélangeur pour conditionnement classique comportant un récipient à agitateur d'une contenance de 4 m', on a introduit de la boue brute présentant la même composition que dans l'exemple 1, en faisant intervenir un débit de pompage de-17 m' de boue par heure; on a traité la boue avec 245 1/h d'une solution de chloro-sulfate ferrique (III) dont la concentration-s'est élevée à 26,2 % en poids de FeClS04 ( = 336 g FeClSOLl),ce qui correspondait à un dosage de 14,4 1 de solution de FeClSO4 (26,2 % en poids) par mètre cube de boue. La consommation spécifique en FeClSO4, calculée - par rapport au fer, s'est élevée à 1,44 kg Fe/m3 de boue. En outre on a introduit dans la boue une suspension aqueuse d'hydroxyde de calcium, dont la concentration s'est élevée à 10 % en poids de Ca(OH)2, en une quantité de 3,7 m3/h, ce qui correspondait à une addition de 21,8 kg de Ca(OH)2/m3 de boue, en un point situé à 500 mm en aval de la zone d'introduction de la solution de FeCSO 4 dans la boue. Le pH de la boue conditionnée a été de 12,3 et le temps de séjour de la boue dans le mélangeur classique pendant le conditionnement s'est élevé à 11,5 minutes. Après une période de compression de 90 à 120 minutes (plusieurs essais), on a obtenu des galettes de filtrat présentant une résistance plus faible que dans l'exemple 1, qui ont collé partiellement sur les toiles du filtre et-dont la teneur en substance sèche n'a été que de 33 % en poids et qui n'ont pu être manipulées que difficile- ment. EXEMPLE 3 (Exemple de comparaison avec une solution de chlo- rure ferrique (III). Dans un dispositif classique tel que celui de l'exemple 2, on a traité de la boue brute ayant la même composition que dans les exemples 1 et 2, pour un débit de pompage de 18 m' de -boue par heure, avec 90 1/h d'une solu- tion de chlorure ferrique (III), dont la concentration s'est élevée à 40, 5 % en poids de FeCl3 ( = 580 g FeCl3/l),ce qui correspondait à un dosage de 5,0 1 de solution de FeCl3 (40,5 % en poids) par mètre cube de boue. La consommation spécifique en FeCl3, exprimée sous forme de Fe, s'est élevée à 1,0 kg Fe/m' de boue. En outre, on a ihtroduit une suspension aqueuse d'hydroxyde de calcium, ayant une concentration de 10 % en poids de Ca(OH)2, en une quantité de 3, 7 m'/h, ce qui correspondait à une addition de 20,6 kg de Ca(OH)2/m' de boue, 500 mm en aval du point d'introduction de la solution de FeCl dans la boue.Le pH de la boue conditionnée s'est élevé ensuite à 12,3 et le temps de séjour de la boue dans le mélangeur classique pendant le conditionnement a été de 11,0 minutes. Après une période de compression de 90 minutes (plusieurs essais), on a obtenu des galettes de filtrat solides, faciles à enlever et à manipuler et contenant une quantité de substances sèches de 35 à 40 % en poids. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour le conditionnement chimique de boues, caractérisé en ce qu'il comprend deux récipients cylindriques (A et B) branchés en série et dont les parties supérieures sont reliées entre elles par un tube de trop plein (3), disposé tangentiellement à leurs surfaces cylindriques et pourvu d'une liaison séparable, un tube d'entrée de boue (1) étant disposé au-dessus du fond du premier récipient tangentiellement à sa surface cylindrique et un tube d'introduction d'une solution ou d'une suspension d'un agent de floculation (2) étant disposé tangentiellement à ce tube d'entrée, deux autres tubes (4,5) débouchant tangentiellement dans le tube de trop plein entre les récipients de manière à permettre l'introduction d'une solution ou d'une suspension d'un agent de neutralisation et/ou d'une solution ou d'une suspension d'un agent auxi- liaire de floculation, tandis qu'un tube de sortie de la boue conditionnée (7) est placé au-dessus du fond du second récipient en étant orienté tangentiellement à la surface cylindrique de celui-ci. 2. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le volume intérieur du second récipient (B) est supérieur à celui du premier récipient (A). - 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les tubes d'introduction de la solution ou de la suspension de l'agent de floculation, de l'agent de neutralisation et/ou de l'agent auxiliaire de floculation peuvent être pourvus de tubulures de différentes sections. 4. Utilisation du dispositif de conditionnement de boues selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'on utilise comme agent de floculation du bhloro-sulfate ferrique (III). 5. Utilisation du dispositif selon la revendication 4, caractériséeen ce que le chloro-sulfate ferrique (III) est introduit sous la forme d'une solution aqueuse dont la concentration, avant son entrée dans la boue, est réglée entre 10 et 35 % en poids, de préférence entre 20 et 30 % en poids. - 6. Utilisation du dispositif selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisée en ce que la boue, après addition de la solution de chloro-sulfate ferrique (III), est réglée à un pH de 10 à 12,5. 7. Utilisation du dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que le temps moyen-de séjour de la boue, calculé depuis l'entrée dans le premier récipient (A) jusqu'à la sortie du second réci- pient (B), est compris entre 4 et 10 secondes, de préférence entre 6 et 8 secondes. 8. Utilisation du dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisée en ce que la vitesse d'écoulement de la solution du chloro-sulfate ferrique (III) lors de l'entrée dans la boue est comprise entre 1 et 10 m/s, de préférence entre 2 et 5 m/s. 9. Utilisation du dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisée en ce que la vitesse d'écoulement de la boue dans le tube d'entrée du premier récipient (A), dans le tube de transfert entre les deux récipients (A et B) et dans le tube de sortie du second récipient (B), est comprise entre 1 et 3 m/s, de préférence entre 1,3 et 2,5 m/s. 10. Utilisation du dispositif selon l'une quelcon- que des revendications 4 à 9, caractérisée en ce que la vitesse d'écoulement de la boue dans les deux récipients (A et B), rapportée à leur section intérieure, est inférieure à 0,3 m/s et est de préférence comprise entre 0,08 et 0,2 m/s.