Brevet FR2497790A1 — publié le 19820716

Procédé de déshydratation de boues résiduaires d'eaux usées. Les eausx usées d'origine domestique ou agro-alimentaire, les usées provenant d'élevage d'animaux subissent, après une élimiration des matières solides très volumineuses, des sables et des huiles, une épuration biologique. Cette épuration biologique consiste à effectuer un traitement primaire de décantation au cours duquel les matières polluantes présentes dans l'effluent, sous forme de particules solides, sont séparées dans un bassin et s'accumulent au fond de cet ouvrage sous la forme de boues dites "boues de décantation primaire". Ce traitement primaire est suivi d'un traitement biologique au cours duquel les matières organiques polluantes dissoutes dans l'eau, ou très finement dispersées, sont dégradées par des micro-organismes, essentiellement des bactéries qui se trouvent en suspension dans l'eau sous la forme de boues activées ou fixées sur un support solide (lit bactérien).Cette dégradation s'effectue en présence ou non d'oxygène et, à la sortie de l'ouvrage de traitement biologique, l'eau entraîne des bactéries épuratrices qui sont séparées par une opération de décantation qui donne des boues dites "boues de décantation secondaire". Dans le présent mémoire, on entend par boues épaissies, des boues de décantation primaire, des boues de décantation secondaire et des mélanges de telles boues provenant d'eaux usées à teneur en matières organiques, notamment d'eaux usées domestiques, d'eaux usées de l'industrie agro-alimentaire et d'eaux usées d'industries traitant des matieres animales.Ces boues épaissies ont une teneur en humidité d'au moins 85 % en poids et comprise, le plus souvent, entre 90 % et 97 % en poids, suivant la nature des eaux usées dont elles proviennent et suivant qu'elles sont primaires ou secondaires. Plus particulièrement, ces boues épaissies ont généralement une teneur en matières sèches comprise entre 3 et 7 % en poids. En vue de mettre ces boues épaissies qui représentent un volume considérable à la décharge, ou de les mettre sous forme de compost ou de les incinérer, on a déjà proposé de les déshydrater par voie mécanique au moyen de filtres à bande, de filtrespe,de bennes filtrantes, de vis pressantes ou de centrifugeuses.Mais l'expérience révèle que cette déshydratation n'est possible que par l'addition de floculants, c'est-à-dire de polymères organiques, dénommés aussi polyélectrolytes, dont les plus utilises sont des polyacrylamides a raison de 1 à 6 kg/tonne de matières sèches des boues à traiter pour obtenir le plus souvent un produit comportant de 12 à 25 % en poids de matières sèches, ou des réactifs minéraux, tels que la chaux à raison de 50 à 250 kg/tonne de matières sèches à traiter ou du chlorure ferrique à raison de 10 à 80 tonne de matières sèches, dans le cas du filtre pressage,our obtenir un produit ayant de 30 à 45 % en poids de matières sèches.Le compostage aérobie nécessite, après le stade de déshydratation à l'aide de polyélectrolytes, de mélanger au produit ainsi obtenu des matières cellulosiques pour porter la siccité du mélange à 30 à 40 % en poids environ et pour obtenir un rapport du poids du carbone à celui de l'azote de 30 environ, nécessaire pour une utilisation correcte en agriculture. Ensuite s'effectue le compostage aérobie proprement dit, par une circulation de l'air dans la masse, assurant une dégradation aérobie des matières organiques et la production d'un compost.Lorsque l'on souhaite, non pas obtenir un compost, mais incinérer la boue déshydratée, la déshydratation doit être poussée par l'addition de réactifs minéraux indiqués précédemment et par le passage du mélange de boues épaissies et d'agents de floculation minéraux au filtre presse avec l'inconvénient, cependant, que l'apport important de chaux et de chlorure ferrique augmente beaucoup le poids de cendres à évacuer sans fournir de contribution pour la chaleur de combustion. Les inconvénients principaux de la technique antérieure tiennent à une consommation élevée de polyélectrolytes, qui sont des produits organiques très coûteux, et à l'efficacité relativement faible de la déshydratation qui ne permet d'obtenir qu'une teneur en matières sèches de 15 à 25 % en poids, tandis que, dans le cas d'agents de floculation minéraux, il faut là aussi consommer des réactifs chimiques en des quantités telles que le volume à déshydrater augmente beaucoup avec augmentation corrélative du volume du filtrat, la valeur calorifique du produit obtenu est grevée par ces produits minéraux qui augmentent en outre la teneur en cendres qu'il faudra ultérieurement évacuer.Enfin, que l'on utilise des agents de floculation organiques ou minéraux, on obtient un produit collant etthixotrope qui n'est pas émottable et qui est difficile à mélanger ensuite à des produits secs. De plus, le produit obtenu antérieurement ne biodégradait pas spontanément. L'invention pallie ces inconvénients par un procédé qui permet d'obtenir un mélange homogène ayant une teneur élevée en matières sèches de l'ordre de 30 à 45 % en poids, de réduire considérablement et même de supprimer les quantités de réactifs organiques ou minéraux qui étaient nécessaires jusqu'ici pour la déshydratation sur des machines classiques, de permettre d'obtenir directement un mélange auto-combustible et facilement émottable, dont la teneur en matières minérales n'est que très peu augmentée, Ge sorte que l'augmentation du poids des cendres est réduite au minimum, le produit final homogène obtenu ayant une texture et une émottabilité qui permettent le évelop- pement direct d'une fermentation aérobie intense donnant un compost bien stabilisé, utilisable en agriculture. Le procédé suivant l'invention de déshydratation de boues résiduaires épaissies, en en exprimant l'eau par voie mécanique, consiste à mélangeras boues un déchet organique à l'état divisé d'origine végétale ou animale, avant d'en exprimer l'eau ou pendant que l'on en exprime l'eau. On a en effet constate, d'une manière surprenante, que cette addition d'un déchet organique permettait d'obtenir les résultats favorables mentionnés cl-dessus et, notamment, une augmentation de la siccité du produit obtenu à la suite de la déshydratation, même en l'absence d'agents de floculation. Le déchet organique, qui est donc peu coûteux, peut être un produit cellulosique, notamment de la sciure de bois, de la tourbe ou de la paille broyée, mais ce peut être aussi un déchet de tannerie, un déchet d'origine animale, tel que par exemple le con eiu des .3nnses d'riux abttus. Le déchet a, de préférence, l'une de ses dimensions qui est inférieure à 1 mm environ. Dans le cas de pailles broyées ou de fibres, la section sera par exemple inférieure à 1 mm et la longueur comprise entre 0,5 et 5 cm. En général,le déchet organique a une teneur en matières solides comprise entre 30 et 90 % en poids. On mélange le déchet organique aux boues épais- sies de manière à ce que le déchet organique représente de 20 à 200 % environ du poids des matières sèches des boues et, de préférence de 50 à 100 % de ce poids. Alors que l'on pouvait craindre une flottation, l'expérience révèle que le mélange s'effectue bien. Alors que l'on pouvait craindre que le mélange ne pourrait s'effectuer que difficilement, au point que les spécialistes redoutaient de briser les appareils de mélange, l'expérience montre qu'il n'en est rien. En genéral , on préfère effectuer le mélange des boues épaissies et du déchet organique pendant une durée inférieure à 2 heures, mais supérieure à 3 minutes et, de préférence, pendant un quart d'heure à une demi-heure environ. On constate que l'addition du déchet organique augmente la filtrabilité de l'ensemble. Pour certaines boues difficiles à filtrer, ou quand on souhaite augmenter la filtrabilité, on peut ajouter aussi au mélange de boues épaissies et du déchet organique un agent de floculation classique, qu'il soit minéral ou organique. On constate alors que, pour obtenir des filtrabilités correctes, il suffit d'ajouter une quantité d'agents de floculation bien moindre que celle qui était utilisée jusqu'ici à des fins de floculation, donc pour augmenter la déshydratation. Cela semble tenir au fait que l'agent de floculation sert d'adjuvant de filtration et que son rôle de floculation est déjà tenu pour l'essentiel par le déchet organique.L'agent de floculation représente en général de 0,05 à 90 % environ et, de préférence, de 0,1 à 5 % du poids des matières sèches du mélange des boues épaissies et du déchet organique. L'addition de polyélectrolytes peut être réduite de 2 à 3 fois par rapport à la technique antérieure. Les exemples suivants illustrent l'invention. EXEMPLE 1 On effectue un essai au laboratoire, à partir de boues épaissies, provenant d'une station d'épuration, d'une capacité de 40.000 équivalents/habitants. 1 équivalent/habitant est la quantité de pollution journalière prise en compte à raison de 90 grammes de matières en suspension et de 57 grammes de matières oxydables. La station traite des effluents domestiques pour 30.000 habitants et des effluents d'origine industrielle, représentant 10.000 équivalents/habitants provenant, pour l'essentiel, d'un laboratoire pharmaceutique et de produits de beauté. Les boues sont constituées pour 60 % de boues primaires et pour 40 % de boues secondaires ou biologiques. Leur teneur en matières sèches est de 4 % en poids, dont par rapport à la matière sèche 70 % en poids de matières or ganiques et 30 % en poids de matières minérales. L'azote total (Kjeldahl) est de 4 %. Dans un récipient de 13 litres de capacité , on mélange à 5 Titres de ces boues liquides, de la sciure de bois, dans la proportion de 20 grammes/litre de boue. On met ensuite le mélange à égoutter pendant 10 heures dans une poche filtrante en fil de Nylon dont la maille est de 100 microns environ. Après 10 heures d'égouttage, on obtient un mélange mal égoutté à 100 grammes de matières sèches/litre. On constate qu'une simple pressée de ce mélange entre deux planchettes pendant 3 minutes permet d'obtenir un mélange ayant une teneur en matières sèches supérieure à 30 % en poids.Le filtrat est limpide et sa teneur en matières en suspension (MES) est inférieure à 50 mg/litre EXEMPLE 2 Après avoir mélangé des boues de même provenance qu'à l'exemple 1 et des sciures dans les mêmes proportions qu'à l'exemple 1, et après les avoir mises dans une poche filtrante en fil de Nylon dont la maille est égale à 100 microns environ, on exerce une pressée de 5 minutes entre deux planchettes. La teneur en matières sèches du mélange obtenu dépasse 30 % en poids. Le filtrat est limpide. Sa teneur en matières en suspension est inférieure à 50 mg/litre. EXEMPLE COMPARATIF 1 On reprend l'exemple 2, mais sans ajouter de sciure. Le colmatage de la poche filtrante est immédiat. Aucune extraction d'eau n'est possible. La filtration directe est impossible. EXEMPLE 3 On effectue des essais comme à l'exemple 2, en faisant varier les taux de sciure de 10 % à 200 % du poids de la matière sèche de la boue. On constate des améliorations très nettes de la filtration à partir d'un taux de 3oye% en poids de sciure. A partir de ce taux, la siccité du mélange augmente en fonction du taux de sciure jusqu'à atteindre 35 % et cela sans addition aucune de polyélectrolytes. Le mélange laissé à l'air libre sèche rapidement et brûle au contact de la flamme d'une allumette. EXEMPLE 4 On traite des boues épaissies provenant d'eaux usées de 300 habitants et d'industries de malteries représentant 30.000 équivalents/habitants et tanneries et mégisseries représentant 10.000 équivalents/habitants. On sait que les boues de telles industries sont très difficiles à déshydrater. Les boues brutes ont une teneur en matières sèches de 41,5 grammes/litre. On mesure la filtrabilité de cette boue par la résistance specifisue à la filtration, en opérant suivant la norme AFNOP PnT 97-001. La manipulation 3 consiste à mesurer le volume de filtration en cm écoulé en fonction du temps en secondes sous une pression de 0,5 bar, pour une prise d'essai de 100 ml versée dans une cellule comportant un filtre soumis à cette pression. La résistance spécifique r est donnée par la formule formule dans laquelle P est la pression en Pa A est la surface de la cellule en m2 c est la concentration en matières sèches de la boue en grammes/litre ; et b est la pente de t/v = f (v0 où t est la durée de la filtration en secondes et V est le volume filtre exprime en La résistance spécifique des boues épaissies de malteries seules est de 1013 m/kg à 0,5 bar. Lorsque l'on ajoute de la sciure de bois à ces boues de malteries, on obtient les résultats suivants. TABLEAU I Sciure (% en poids) O 43,2 71,6 142 Résistance Spécifique 1,4 1013 1,3.1013 1,1013 5,9.1012 0,5 (m/kg) L'ajout de sciure améliore la filtrabilité. On a cherché à améliorer la filtrabilité en associant de la sciure et du chlorure ferrique. On a effectué, à cet effet, les essais rapportés au tableau Il suivant. TABLEAU Il No. essai 1 2 3 FeCl3 (%) 5,6 5,6 5,6 Chaux (%) 17,9 17,9 17,9 Sciure (%) 22 33,5 45 r0,5 (m/kg) 1,2.101l 2.1011 5,1.101 Il apparaît que l'ajout de sciure a des boues épaissies contenant déjà du chlorure ferrique et de la chaux fait diminuer la filtrabilité des boues.On constate toutefois une nette amélioration de la filtrabilité par rapport au cas où l'on utilise de la sciure seule, puisque l'on obtient dans tous les cas une résistance spécifique inférieure à 8.1012 m/kg que l'on considère généralement comme étant la limite pour une bonne filtrabilité. On effectue à nouveau cet essai uniquement sur des boues de tanneries. Les résultats obtenus sont donnés au tableau III suivant. TABLEAU III FeCl3 (%) | 8,7 3,3 - Chaux (%) 26,2 9,8 - sciure (%) 33 33 33 ro,5 bar (m/kg) 4,7.10 11 1,8.1012 4,3.1012 Comme pour les boues de malteries, plus on augmente le pourcentage de sciure par rapport au conditionnement en chlorure ferrique et chaux, plus la filtrabilité diminue. Il apparaît que ces boues ont une filtrabilité suffisante lorsqu'elles sont additionnées de 3,3 % de FeCI3 et de 9,8 % de chaux, ce qui constitue des taux d'addition d'agents de floculation relativement faibles. On reprend l'essai ci-dessus mais sur un mélange de 1/5 en volume de boues de tanneries et de 4/5 en volume de boues de malteries. On obtient les résultats donnés au tableau IV. TABLEAU IV Essais 1 1 2 3 Feu13 (%) 2,3 3,1 3,9 Sciure (%) 34,6 t 34,6 34,6 r0,5 bar (m/kg) 2,4.1012 2,1.1012 1,7.1012 Il résulte de ces essais qu'il n'est pas nécessaire d'ajouter plus de 3 % en poids de chlorure ferrique à un mélange de boues de malteries et de tanneries et de sciure pour obtenir une filtrabilité correcte. EXEMPLE 5 On reprend le même effluent qu'à l'exemple 4, mais on le traite sur une installation-pilote filtre-presse montée sur une plateforme mobile cons tituée d'un filtre-presse et de son régulateur de pression et de débit, d'un bac de floculation de boues et de deux cuves pour la préparation des réactifs. Le floculateur a un diamètre de 1200 mm, une 3 hauteur de 1100 mm et un volume de 1,2 m . La surface 2 de foltration des plateaux est de 2,77 m-. La capa- cité de filtrationest de 11 kg de boues/m. On considère que la filtration est terminée lorsque le débit de filtration est de 500 ml/minute. On introduit successivement dans la boue du chlorure ferrique dilue à raison de 1 litre de FeCl3 par 45 litres d'eau, de la chaux diluée à raison d'un kg par 20 litres d'eau (pureté de la chaux 75 % en poids) et de la sciure sans dilution, mais après tamisage sur un tamis de 2 mm d'ouverture de maille. La pression en fin de pressée est de 12 bars. Elle dure tant que le débit de filtrat est supérieur à 500 ml/minute. La boue épaissie traitée est celle de l'exemple précédent, à 1/5 en volume de boues de tanneries et à 4/5 en volume de boues de malteries. Les résultats obtenus sont donnes au tableau V, ci-après. TABLEAU V Réactifs Valeur/réactifs Siccité Auto- Emmottabilité F/T de M.S. conbustibilité Essai FeCl3 5 % 40 F 30 % Moyennement Défavorable comparatif environ favorable Chaux 20 % 100 E 140 E/t Essai No.1 suivant sciures 70 % 38,5 F 26,5 % Favorable Favorable l'invantion Essai No.2 FeCl3 3 % 60 F 30 % Très Favorable suivant Sciures 70 % favorable l'invention EXEMPLE 6 On exprime l'eau de boues épaissies à l'aide d'une vis pressante.Sans incorporation de sciures, on ne peut pas obtenir un fonctionnement correct de la vis. Il n'y a alors pas d'effet de compactage de cette dernière et le filtrat ne s'écoule pas. Le graphique de la figure 1 en annexe donne la siccité obtenue pour le mélange en fonction du pourcentage de sciures ajoutées alors que l'on a ajouté au mélange 1 kg de polyélectrolytes par tonne de manières sèches des boues traitées. Le débit massique ne diminue pas si l'on supprime le polyelectrolyte. EXEMPLE 7 On effectue des essais en laboratoire par mesure de la résistance spécifique à la filtration dans une cellule de filtration de Pont à Mousson. Les boues proviennent d'une station d'eaux usées domestiques. L'échantillon de boue seXe ne permet pas d'obtenir une filtration. Si l'on ajoute un volume de sciure de bois blanc à 5 volumes de boue, on obtient une résistance spécifique à la filtration de 2,65 x 1012 et une siccité limite de 16,60 %. Si à 5 volumes de boue, on ajoute un volume de sciure et 2 grammes de polyélectrolytes par kg de la matière sèche du mélange constitué de la boue et de la sciure, la résistance spécifique à la filtration devient égale à 7,38 x 1010 et la siccité limite à 19,6 %. EXEMPLE 8 Des essais effectués sur des boues fraîches de même type que celles de l'exemple précédent, cons tituées de 20 % en volume de boues secondaires et de 80 % en volume de boues primaires, permettent de constater qu'avec 1,56 kg de polyélectrolytes par tonne de matières sèches de boues initiales (sans la sciure), la siccité obtenue est de 35,6 %. Le dynamomètre permettant de mesurer les efforts fournis par la vis d'Archimède, qui indique d'ordinaire 20 à 30 m/kg, indique des valeurs comprises entre 50 m et 130 m/kg. L'adjonction de sciure permet d'atteindre des siccités doubles de celles obtenues généralement pour une concentration trois à quatre fois moindre de polyélectrolytes. On a entreposé les boues déshydratées mécaniquement à 34 % de siccité dans des conditions aérobie. On a obtenu les résultats rapportés au tableau VI. TABLEAU VI Jours Temps écoulé Températures observées ler jour 0 h 140 C 2ème jour 23 h 2705C 2ème jour 24 h 340 C 2ème jour 27 h 420 C 3ème jour 44 h 500 C 3ème jour 45 h 526 C 3ème jour 47 h 520 C 6ème jour 119 h 170 C On voit que l'activité biologique se continue dans la boue déshydratée, de sorte que l'on peut obtenir, à partir de cette boue, un compost utilisable directement en agriculture. EXEMPLE 9 On traite des boues épaissies provenant d'eaux résiduaires usées d'origine domestique sur un filtre à bande. L'incorporation préalable de sciures à la boue conduit à une siccité élevée (40 t environ). Ce résultat est étonnant si l'on remarque que la siccité de la boue et de la sciure préalablement trempée dans l'eau claire et ensuite déshydratée chacune séparément n'atteint pas 30 %. L'addition de sciure aéliore nettement la tenue de la boue sur le tapis ce qui favorise l'économie de polymères ; on peut chiffrer cette économie à environ 15 à 20 % si l'on s'exprime en kg par tonne de matières sèches entrantes et à 20 à 30 % si l'on s'exprime en kg par tonne de matières sèches de boues évacuées. Ceci souligne l'amélioration du taux de capture obtenu par l'addition de sciures. EXEMPLE 10 On traite des boues épaissies provenant d'eaux usées domestiques dans une centrifugeuse en vue de les déshydrater. Les essais de centrifugation ont été réalisés sur des boues digérées et sur des boues fraîches. Les résultats obtenus apparaissent sur les courbes des figures 2 et 3, relatives respectivement aux boues fraîches et aux boues digérées, dans lesquelles on a porté en abscisses la quantité de polyélectrolytes en kg par tonne de matières sèches, et en ordonnées la siccité du mélange obtenu en pourcentage. Les courbes en traits pleins sont obtenues avec addition d'un pourcentage de sciure de 45 t par rapport à la matière sèche de la boue, tandis que les courbes en tiretes sont obtenus sans addition de sciure. Ces graphiques montrent que la siccité obtenue par l'addition de sciures est augmentée de plus de 10 % et que l'on peut réduire, et même supprimer l'addition de polyélectrolytes en particulier dans le cas de boues fraîches. Cependant lorsqu'on ajoute à la fois des sciures de bois et des polyélectrolytes, le taux de capture est plus élevé que dans le cas d'utilisation d'agents de floculation organiques seuls, bien que les quantités de ces agents soient réduites de 2 à 3 fois. Que l'on ait traité les boues épaissies sur le filtre à bande ou sur la centrifugeuse, on obtient un débit massique des machines très nettement amélioré par rapport aux procédés classiques, de l'ordre de 15 à 20 % et même de 30 % lorsque l'on opère sur le filtre à bande. Dans tous les cas, le produit obtenu à la sortie des machines de déshydratation par voie mécanique n'est pas collant, s'émmotte facilement et peut être mélangé ultérieurement avec tout autre produit. La déshydratation en est facilitée et les machines à mettre en oeuvre à cet effet peuvent être plus simples et moins coûteuses. REVENDICATIONS 1. Procédé de déshydratation des boues résiduaires épaissies d'eaux usées, en en exprimant l'eau par voie mécanique, caractérisé en ce qu'il consiste à mélanger aux boues épaissies un déchet organique à l'état divisé d'origine végétale ou animale, avant d'en exprimer l'eau ou pendant que l'on en exprime l'eau. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le déchet est un produit cellulosique. 3. Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le déchet est de la sciure de bois, de la tourbe, ou de la paille broyée. 4. Procédé suivant la revendication 1, carac térisé en ce que le déchet est un déchet de tannerie ou une déjection d'animal. 5. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le déchet a une dimension inférieure à 1 mal environ. 6. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le déchet organique représente de 20 à 200 % environ du poids des matières sèches des boues épaissies. 7. Procédé suivant la revendication 6, carac térisé en ce que le déchet organique représente de 50 à 100 % du poids des matières sèches des boues épaissies. 8. Procédé suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à additionner le mélange d'un agent de floculation. 9. Procédé suivant la revendication 8, carac térisé en ce que l'agent de floculation représente de 0,05 à 20 % environ des matières sèches du poids du mélange des boues et du déchet organique. 10. Procédé suivant la revendication 9, carac térisé en ce que l'agent de floculation représente de 0,1 à 5 % du poids des matières sèches du mélange des boues et du déchet organique.