Brevet FR2524459A1 — publié le 19831007

Z 524459 La présente invention concerne un procédé de concentra- tion d'une boue biologique, en particulier d'une boue activée. Le procédé de l'invention consiste à modifier la struc- ture chimique de la boue grâce au traitement décrit ci-dessous. Les boues auxquelles s'applique l'invention sont formées par traitement d'une eau résiduaire par filtration bioloqigue et activation biologique Pendant ces opérations de purifica- tion, divers micro-organismes présents dans l'eau résiduaire prolifèrent et utilisent les impuretés solubles pour produire une biomasse L'eau résiduaire est donc débarassée des substan- ces dissoutes; l'eau purifiée étant ensuite renvoyée au cours d'eau Les micro-organismes séparés par sédimentation forment une boue biologique. La boue est ensuite traitée pour être entièrement évacuée ou pour recevoir une utilisation ultérieure. L'évacuation de la boue est obtenue selon des procédés classiques reposant sur la fermentation des boues ou leur di- gestion Ceci est principalement effectué dans des étangs à boues ou des lagunes à boues dans lesquels il se produit un drainage et une évaporation de l'eau et la boue est digérée selon une combinaison de conditions aérobies et anaérobies Le traitement nécessite des surfaces importantes et a des effets nuisibles sur l'environnement Un procédé ayant des effets moins nuisibles sur l'environnement consiste à effectuer la digestion en conditions anaérobies Cependant il nécessite un investissement élevé pour construire des chambres de digestion sous pression fermées Dans ces chambres, il se produit une destruction poussée pendant laquelle la boue est presque miné- ralisée Ceci s'accompagne de pertes importantes et d'une dé- gradation des matières organiques avec un dégagement de gaz tel que l'hydrogène, l'ammoniac, le méthane, le gaz carbonique, l'acide sulfhydrique, l'azote, etc La boue digérée des deux traitements ne peut être utilisée que comme fertilisant De l'énergie peut être produite sous forme de gaz inflammables (méthane, acide sulfhydrique, hydrogène). Comme la biomasse de la boue contient environ 40 % en poids sec de protéines, on a tenté d'utiliser certains types de boue comme aliments pour les animaux A cet effet, la bio- masse de la boue doit être séchée Avant le séchage, la boue 2 St 445 f 9 doit être déshydratée autant que possible Les experts savent que la déshydratation et l concenrtration des boues biologi- ques est un problème très difficile Ceci est dû au fait que la boue activée a une structure physique inappropriée Par suite de cette structure, elle fixe des quantités importantes d'eau que l'on ne peut éliminer que très difficilement La boue est donc très volumineuse. Une boue biologique obtenue par simple sédimentation a un poids sec d'environ 1 % On la concentre par flottation par microbulles qui consiste à forcer de l'air comprimé fine- ment dispersé à travers la suspension de boue Les bulles d' air entraînent les particules de boue à la surface La boue flottée a un poids sec de 5 % maximum La concentration est provoquée simplement par une séparation plus nette de la phase liquide de la suspension de boue tandis que la structure phy- sique demeure inchangée Le procédé de flottation nécessite des investissements et des coûts énergétiques considérables associés à la production de l'air comprimé La biomasse sépa- rée est de plus concentrée dans des décanteuses centrifuges. La concentration finale atteint au maximum 10 % en poids sec du fait que la structure physique est inchangée Pour accroî- tre l'effet de la centrifugation, on améliore la structure physique de la boue traitée selon des méthodes physico- chimiques telles que l'application de sels d'aliminium ou de fer, de polyélectrolytes, etc qui provoquent une modifica- tion de la charge électrique des micelles de boue et de leur couche d'hydratation De ce fait, l'eau liée par les forces d'adhérence à la surface importante des particules sphériques est libérée Le changement de structure physique provoqué par l'opération assure dans la décanteuse centrifuge une bonne concentration voisine de la concentration obtenue par centri- fugation de micro-organismes unicellulaires tels que les levu- res Cette opération entraîne également des dépenses élevées, en particulier en raison du coût des produits chimiques -poly- électrolytes qui augmente constamment Ces inconvénients sont évités grâce au procédé décrit dans l'invention selon lequel on obtient une modification de la structure physique de la boue grâce à un procédé peu coûteux utilisant l'activité en- symatique des micro-organismes présents dans la boue biologi- 3; que, en particulier la boue activée. La structure physique inappropriée de la boue est due, en plus de la couche d'hydratation de micro-organismes et de l'eau extracellulaire à l'intérieur de la micelle de boue, également au fait que de nombreux micro-organismes présents dans la boue forment des enveloppes extracellulaires de limon constituées des polysaccharides qui sont présents dans les cellules Les substances limoneuses ont une grande capacité de liaison de l'eau et sont la cause principale de la mauvaise aptitude à la déshydratation des boues Les tentatives actuel- les visant à améliorer les structures physiques des Doues n' ont pas tenu compte de ce fait et les opérations traditionnel- les sont donc peu efficaces. On a envisagé une modification de la structure physique de la boue selon des procédés enzymatiques pour la première fois dans le brevet tchécoslovaque no 153046 "Un procédé de concentration des boues organiques" (Barta, Fechtner, Hanzl{cmk Verner, Vesely) et le brevet tchécoslovaque N O 147846 "Un pro- cédé pour réduire la teneur en phase liquide des boues organi- ques" (Barta, Dyr, Hanzlicek, Verner, Vesely) Selon ces opé- rations qui concernent principalement ce qu'on appelle la flot- tation biologique, on obtient une concentration considérable- ment accrue de la phase solide flottée de la suspension de boue et une économie considérable d'énergie par rapport à la flottation par microbulles, grâce à une fermentation contrôlée utilisant des cultures choisies de bactéries dénitrifiantes, avec ou sans addition d'ions nitrates, préalablement multi- pliées pures ou avec une suspension de boue Ces procédés sont moins coûteux que les procédés précités mais sont longs et né- cessitent deux stades opératoires et des réservoirs de grand volume pour la préparation de l'inoculum et pour la flottation biologique elle-même. Le procédé de concentration des boues biologiques, en par- ticulier des boues activées, selon l'invention élimine certains de ces inconvénients. Il repose sur l'addition aux boues de composes azotés oxygénés, de façon particulièrement appropriée des nitrates et/ou des nitrites, à raison de 50 à 2 000 g/m 3 à une tempéra- ture de 5 à 450 C et à un p H de 5 à 8,5 Après 15 minutes à 2 tti 43 X 9 4; heures, les flocons de boue formés par suite de l'activité en- zymatique qui présentent une structure physique modifiée, sont directement concentrés par centrifugation. Contrairement aux brevets tchécoslovaques précités, le procédé est mis en pratique sans aucune addition de micro- organismes et il supprime une fermentation prolongée nécessi- tant plusieurs dizaines d'heures ainsi que la flottation biologique Il met en jeu simplement l'activité intense brève des cellules microbiennes présentes dans la boue qui est pro- voquée par l'addition d'une quantité relativement importante de composés azotés oxygénés. Ce procédé qui fournit des flocons de boue ayant une structure physique modifiée permet une concentration directe de la boue d'origine qui est de 1 à 2 % en poids sec à 14 à 16 % en poids sec avec une décanteuse centrifuge, c'est-à-dire sans flottation. La demanderesse a découvert que la gamme étendue des micro-organismes présents dans la boue permet de modifier très rapidement au degré requis la structure physique de la boue. La mesure de l'oxygène dissous montre que le taux d'oxygène dissous dans la couche de suspension de boue et la zone d'eau de recouvrement adjacente diminue rapidement L'environnement anaérobie obtenu assure une faible activité des bactéries dé- nitrifiantes abondantes dans la boue La demanderesse a égale- ment découvert que pendant l'activité intensive de ces orga- nismes réduisant les nitrates, leur équipement enzymatiques leur permet d'utiliser les revêtements limoneux de cellules comme sources de carbone aussi indispensables à leur activité que les composés azotés Les revêtements limoneux sont donc hydrolysés De plus certains de ces organismes réduisant les nitrates, en particulier les Clostridiaceae, produisent des enzimes protéolytiques exogènes qui attaquent les membranes cellulaires des cellules présentes dans la boue Le résultat global de ces processus enzymatiques est une dégradation ini- tialement très faible telle qu'on en observe dans la digestion. Ce processus est suffisant pour provoquer la modification dé- sirée de la structure-physique sans aucune perte ou dégrada- tion de la matière organique de la boue. La création de conditions optimales pour l'induction de l'activité intensive spontanée des organismes réduisant les nitrates, qui assure l'obtention de l'effet requis, a été soi- gneusement étudiée et les conditions ont été déterminées de façon précise Elles comprennent simplement l'addition d'une quantité suffisante de nitrates et le maintien de conditions anaérobies ou au moins microaérophiles de la température et du p H. Des sources appropriées de nitrates ou de nitrites sont les nitrates de sodium, de potassium ou en particulier d'am- monium ou de calcium qu'on emploie en agriculture comme en- grais nitriques Ils sont peu coûteux et facilement solubles. Selon la nature et le composition de la boue, on ajoute les composés à raison de 40 à 2 000 g de NO 3 sur m de suspension de boue sous forme d'une solution de 10 à 20 % Le p H optimal est dans la gamme de 7,0 à 8,5 L'avancement de l'opération est bon à des températures de 15 à 370 C Généralement la tem- pérature ne doit pas être inférieure à 50 C Les conditions anaérobie sont définies par la concentration de l'oxygène dis- sous qui est au maximum de 0,1 mg d'O 2/1 de suspension de boue. Dans ces conditions, l'ensemble du procédé est nettement simplifié et considérablement raccourci les durées nécessai- res sont de l'ordre des minutes et les coûts d'investisse- ment et de fonctionnement sont nettement réduits Le fait que le stade de flottation est superflu permet de réaliser le pro- cédé en continu dans un réacteur de volume relativement faible. La quantité de nitrate ajoutée qui est nécessaire pour assurer l'intensité satisfaisante du procédé, dépend de la nature, de la composition et des propriétés de la boue biologique trai- tée Une addition optimale et économiquement avantageuse est 'telle que la teneur en NO 3 de la liqueur séparée de la boue après le traitement n'est pas supérieure à la teneur initiale de la phase liquide de la suspension de boue traitée. Des exemples du procédé de concentration des boues biolo- giques selon l'invention figurent ci-après. EXEMPLE 1 On ajoute 3 000 g de nitrate de calcium de pureté techni- que sous forme d'une solution à 20 % à 10 m 3 de suspension de boue activée contenant 80 kg de substances insolubles en sus- pension On homogénéise le mélange pendant 10 à 15 secondes f 524 4 $ 9 et après 15 minutes on centrifuge dans une décanteuse centri- fuge Le procédé fournit 550 ka de boue concentrée ayant un poids sec de 14 %, ce qui correspond à 96,25 % de la quantité initiale des substances insolubles. EXEMPLE 2 Le mode opératoire est le même que dans l'exemple 1 mais une suspension de 3 000 litres de boue contenant 0,8 % de sub- stances insolubles en suspension reçoit en continu 1 000 li- tres de suspension de boue traitée par heure avec 1,5 litre d'une solution à 20 % de nitrate de calcium de pureté techni- que, avec agitation constante à l'entrée d'un réacteur en con- tinu Le volume séparé restant du réacteur n ' est pas agité. L'effluent du réacteur est constitué de 1 001,5 litres de boue ayant une structure chimique modifiée par heure On centrifuge en continu l'effluent dans une décanteuse centrifuge pour ob- tenir 56 kg/h d'un concentré de boue ayant un poids sec de 14 %. EXEMPLE 3 On introduit un volume de 20 m 3 d'une suspension de boue activée de retour ayant une concentration de 0,5 % en composés insolubles en suspension, dans un réservoir de mélange avec litres d'une solution à 10 % de nitrite de sodium, on homo- généise pendant 30 secondes et on transfère immédiatement dans un réservoir de flottation Après 12 heures, on élimine la couche flottée de substances insolubles avec un racleur L' opération fournit 1 500 kg de concentré de boue ayant un poids sec de 6 %, convenant au traitement ultérieur dans des cuves de digestion anaérobies La couche flottée éliminée correspond à 90 % des substances insolubles introduites. t 524459 REVEND I CATIONS 1 Procédé de concentration de boues biologiques acti- vées, caractérisé par le fait que les boues sont additionnées de composés azotés oxygénés, de façon particulièrement appro- priée des nitrates ou des nitrites, à raison de 50 à 1 000 g/m 3 à une température de 5 à 450 C et à un p H de 5 à 8,5 en conditions anaérobies et en ce qu'après 15 minutes à 3 heures, on concentre directement les flocons de boue ayant une struc- ture physique-modifiée formés par activité enzymatique. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la concentration est effectuée par centrifugation. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la concentration est obtenue par flottation spontanée.