Brevet FR2526008A1 — publié le 19831104

L'invention concerne le drainage de boues, et en particulier de boues de curage provenant de l'épuration d'eaux d'égout urbai- nes et industrielles De telles boues présentent une teneur en eau comprise entre 70 et 98 % en poids selon, entre autres fac- teurs, qu'elles contiennent en majorité des constituants secs organiques ou inorganiques. Pour le drainage de boues qui, d'un point de vue physique, représentent une suspension aqueuse concentrée de matières soli- des floconneuses et/ou colloïdales, on dispose de la filtration mécanique Mais une simple filtration des boues n'aboutit pas, en règle générale, au résultat voulu, en premier lieu du fait que les constituants colloïdaux colmatent rapidement les filtres. C'est pourquoi la technique s'est efforcée de trouver des moyens et des méthodes pour rendre les boues aptes à une filtration mécanique Par rupture d'émulsion, floculation et précipitation, on peut parvenir à une séparation des matières solides de la phase -liquide (cf Ullmanns Encyklbpàdie der Technischen Chemie, 4 ème édition, vol 6, pp 417-464 et vol 11, p 581, vol 2, p 190, Verlag Chemie) En tant qu'agents auxiliaires de floculation, on utilise avant tout, depuis quelque temps, des polyélectrolytes synthétiques Mais il arrive fréquemment que les boues traitées par des polyélectrolytes se prêtent toujours mal à la filtration. En outre, la plupart des polyélectrolytes ne sont pas suffisamment stables au cisaillement Dour garantir un drainage satisfaisant. Afin d'améliorer, la qualité du filtrage, onaencoreajoutédes adjuvants de filtrage, principalement des matières solides inorga:- niques, comme par exemple des carbonates alcalino-terreux, des argiles, des terres d'infusoires, des terres à diatomées, des silicates, des fibres d'amiante notamment Par ailleurs, des cendres, et en particulier celles qui sont obtenues par combustion de la boue déshnydratée elle-màme, sont utilisées comme adjuvant de filtrage (brevet DE-B-1 517 705) L'action de ces adjuvants de filtrage est basée entre autres sur le fait qu'ils forment, lors de la filtration, une charpente de support poreuse dans le gâteau de filtre-presse On évite de la sorte la formation de couches filtrantes compactes qui peuvent entraver le passage du liquide. Cependant, des quantités considérables de ces adjuvants de filtra- ge sont nécessaires En cas d'utilisation de cendres, on a par exemple besoin en général d'au moins deux parties en poids de cendres par partie en poids de boue, ce aui a un effet négatif, notamment sur la rentabilité du procédé d'incinération des boues. Dlans le but de réduire les auantités nécessaires d'adjuvants de filtrage, et en particulier de cendres, il a été proposé d'ajouter en outre aux boues un précipitant polyélectrolytique (brevets DE-A-22 49 607, DE-A-23 27 869, DE-A-26 00 926) En tant qu'inconvénient des adjuvants de filtrage inorganiques, on men- tienne leur hydrophilie Les substances généralement utilisées absorbent m&me des quantités importantes d'eau La majeure partie de cette eau fixée ne peut être éliminée que par apport d'énergie. Pour cette raison, le gâteau de filtre-presse provenant de la filtration contient toujours d'assez grandés quantités d'eau. Finalement, avec les procédés de filtration, on ne parvient pas à la réduction radicale de volume ou de poids des matières soli- des présentes, que l'on cherche à obtenir C'est pourquoi il a été proposé de mélanger les boues, avant la filtration, d'adju- vants de filtrage solides qui ont été pré-traités par des composés organiques contenant des groupes hydroxy et/ou alcoxysilyle (bre- vet DE-A-27 30 009) La préférence est donnée à des kaolins pré- traités de cette manière. L'utilisation de cendres volcaniques (verres volcaniques de rhyolite ou de porphyre quartzeux, contenant de nombreuses petites inclusions d'eau, qui, au chauffage à plus de 12009 C, se transfor- ment par expansion en éponge de roche extrêmement léger) est comnue dans la technologie générale de la filtration Pour l'élimination de troubles colloïdaux, la rétention de particules submicroscopiques et l'élimination d'impuretés bactériennes, il a été décrit, dans le brevet US 4 007 113, un milieu filtrant se composant d'une matrice de matière fibreuse autofixante (cellulose) et notamment de cendres volcaniques, dont la surface a été traitée par une résine cationique de mélamine-formaldéhyde. Il y avait donc à atteindre le but consistant à fournir des agents auxiliaires pour le drainage des boues, et notamment pour le drainage de boues de curage industrielles et urbaines, par l'addition desquels en quantités nettement plus petites que jusqu'à maintenant la filtration des boues donne des résultats techniquement satisfaisants Il fallait fournir des adjuvants de filtrage spéciaux qui rendent déjà possible un drainage technique- ment satisfaisant en étant utilisés dans des quantités inférieures au double du poids de matières solides des boues Au premier plan se situant le drainage des boues de curage au moyen de filtres- presses à chambres ou de presses de compression On voulait atteindre un résultat de filtration d'au moins 25 % en poids environ de substance sèche dans le gâteau de filtre-presse. C'est pour atteindre ce but qu'est proposé, d'après l'inven- tion, le procédé consistant essentiellement à ajouter à la boue avant la filtration, en tant qu'adjuvant de filtrage, une matière volcanique thermiquement expansée sous forme de particules, ayant une densité apparente de moins de 0,09 kg/l avec une grosseur moyenne de particules comprise entre 20 et 300 microns, dans des proportions se situant entre 2 et 10 kg par J 3 de boue humide, puis à procéder à la filtration En ce qui concerne la matière volcanique thermiquement expansée sous forme de particules, il s'agit en général de silicates, en particulier de verres de rhyo- lite ou de porphyre quartzeux, qui contiennent des inclusions d'eau d'origine naturelle et qui, au chauffage, par exemple à plus de 120020, se transforment par expansion en une éponge de roche très léger Le volume à l'état expansé thermiquement peut être vingt fois supérieur au volume primitif. Les matières volcaniques thermiquement expansées, définies ci-dessus, sont disponibles dans le commerce; elles sont dési- gnées ci-après sous la forme abrégée de "matière expansée" On a obtenu des résultats satisfaisants par un broyage fin de la matière expansée, dans une mesure suffisante pour qu'elle réponde à la définition donnée cidessus Ce broyage fin peut être effectué de façon connue en soi, par exemple au moyen d'un broyeur à marteaux Il est préférable d'utiliser, outre la "ma- tière expansée", des polyélectrolytes connus en soi (cf les brevets DE-A-22 49 607, DE-A-23 27 869 et DE-A-26 00 926) (flo- culants) On utilise de préférence des floculants cationiques, comme par exemple un poly(méth)acrylate de N,N-dialcoylamino- alcoyle sous forme neutralisée ou quaternisée, notamment le poly- méthacrylate de N,N-diméthylaminoéthyle ou encore le poly-U,N- diméthylaminonmthacrylamide, la polyéthylène-amine, etc Au cas o il s'agit de polyélectrolytes anioniques, ils dérivent en général'd'amides d'acides carboxyliques insaturés et/ou des sels sodiques ou ammoniques d'acides carboxyliques insaturés ou d'aci- des sulfoniques Entrent particulièrement en ligne de compte des polymères hydrosolubles de poids moléculaire élevé, notamment des polyacrylamides et/ou polyméthacrylamides (partiellement hydrolysés le cas échéant), des polyacrylates et polyméthacrylates tels que les (méth)acrylates d'smmonium ou de métaux alcalins, des sulfonates comme le sulfonate de sodium-polyvinyle, le sulfo- nate de sodium-polystyrène, ainsi que des copolymères et des mélanges de polymères. En général, le degré de polymérisation des polyélectrolytes anioniques utilisés d'après l'invention se situe au-dessus de 1000, ce qui correspond à peu près à des poids moléculaires de plus de 105, mais le genre du polymère utilisé joue un rôle es- sentiel. La quantité des polyélectrolytes utilisés se Juge en premier lieu d'après le type et la teneur en matières solides de la boue à drainer Comme valeur-guide, on peut indiquer 1 à 100 ppm, de préférence 5 à 50 ppm du polymère, par rapport au poids de la boue de curage. On donnera une préférence particulière au mode de réalisation du procédé dans lequel la matière volcanique thermiquement expan- sée sous forme de particules (voir ci-dessus) a été rendue hydro- phobe De préférence, cette hydrophobisation est effectuée avec des composés organo-siliciques, en particulier des alcoxysilanes et des alcoylalcoxysilanes organofonctionnels, notamment un alcoyltrialcoxysilane Convient particuli-èremn-t -une "matière expansée" traitée par les copolymères connus de vinyltrialcoxy- silanes et d'anhydride maléique. Le choix des composés organo-siliciques et la réalisation technique de l'enduction (hydrophobisation) de la matière expan- sée peuvent s'appuyer étroitement sur les enseignements du brevet DE-A-27 30 009. En tant que silanes organofonctionnels, on citera ceux qui répondent à la formule I X (CH 2)n -si (OR')3 (I) dans laquelle X est un groupe aminé,éventuellement substitué par un alcoyle ou un aminoalcoyle, un groupe mercapto ou le groupe H l O CH C CH R' est un radical alcoyle ou alcoxyalcoyle à 1-10 atomes de C et N est un nombre entre 1 et 10 On mentionnera par exemple le ( aminoéthyltriméthoxysilane, le Y -aminopropyltriméthoxysilane, le Y -aminopropyltriméthoxyéthoxysilane, le c-aminobutyltriéthoxy- silane, le t -aminoéthyl aminopropyltriéthoxysilane, le glycidyloxypropyltriméthoxysilane. Les alcoyltrialcoxysilanes, également utilisables de préfé- rence, peuvent comporter des radicaux alcoyles en C 1 à C 15, de préférence des radicaux alcoyles en C 1 ' C 6 1 ' 5 atomes de car- bone se trouvent de préférence dans les groupes alcoxy Les copo- lymères résultant de la réaction de vinyltrialcoxysilane et d'anhydride maléique présentent des unités de formules CH CH 2 et -CH CH Si(R") 3 COOR'"COOR"' 6 2526008 dans lesquelles R" est mis pour un radical alcoxy à 1-8 atomes de C, un groupe OH ou pour un pont oxygène qui est lié à une autre unité silyle, R"' pour un hydrogène ou pour un radical alcoyle à i 10 atomes de carbone En chauffant ces copolymères d'anhydride maléique/vinyltrialcoxysilane avec des alcools, on obtient des copolymères comportant des unités alcoxysilane, des unités hémiester d'acide c, -dicarboxylique et, en outre, des unités anhydride en succession irrégulière Des produits dans lesquels les hémiesters ont été hydrolysés conviennent bien eux aussi. L'application des composés organosiliciques sur la "matière thermiquement expansée" peut s'effectuer de façon connue en soi, par exemple par mélange avec des solutions de ces composés, de préférence dans des solvants organiques appropriés, en particu- lier en solutions alcooliques ou, dans la mesure o ils sont hydrosolubles, en solution aqueuse En cas d'utilisation de sila- nes, il peut être également opportun de mélanger ceux-ci à l'état non dilué avec la "matière thermiquement expansée". A la suite du mélange, par exemple dans le mélangeur à soc de charrue, on sèche opportunément à une température pouvant atteindre 150 QC environ, de préférence entre 70 et 130 2 C En général, la proportion des composés du silicium appliqués sur la "matière thermiquement expansée" est d'au moins 0,1 % en poids, de préférence entre 0,5 et 5 % en poids, mais on peut aussi utiliser des matières portant plus de 10 % en poids de ces compo- sés, sans que cela altère dans une mesure appréciable leur action d'adjuvant de filtrage. Les adjuvants de filtrage à utiliser peuvent être mélangés de façon connue en soi aux boues, en particulier aux boues d'eaux usées On se sert à cet effet des groupes mélangeurs usuels La quantité de la "matière thermiquement expansée", de préférence la matière rendue hydrophobe, se situe entre 2 et 10 kg par m 3 de boue humide. L'addition des pclyélectrolytes s'effectue de préférence sous forme de solution aqueuse à 0,1 0,3 %, à la suite de celle des cendres volcaniques, dans un récipient mélangeur équipé d'un agitateur qui tourne lentement ou, dans le cas du procédé en continu, dans la conduite d'arrivée On a obtenu des résultats satisfaisants en introduisant le polyélectrolyte en aval de la pompe de circulation dans la conduite d'arrivée, en quantités dosées proportionnellement au débit En cas d'utili- sation de structures qui favorisent le mélange, par exemple de mélangeurs statiques, le point optimal d'introduction est en amont de l'entrée dans la presse de compression. Le drainage est effectué dans des presses de compression, de préférence des filtres-presses à cadres et à plateaux ou à chambres, avec des pressions comprises entre 5 et 15 bars et des durées de compression de 30 à 180 mn On peut utiliser, comme tissu filtrant, un tissu de polyamide ou de polypropylène par exemple On mentionnera par exemple des tissus de monofilament. Dans les exemples qui suivent, on utilise de préférence, comme matière thermiquement expansée, la "Volcanic Ash, Type VA-ER" de la Filter-Media Company, Houston (Texas). Pour l'hydrophobisation, on utilise de préférence un produit à base d'octyltriéthoxysilane (par exemple le produit du commerce Dynasilan R de la firme Dynamit Nobel). Exemple 1 Une boue de curage stabilisée par anaérobies, ayant une teneur en matières sèches de 3,5 %, a été additionnée de 10 kg/m 3 de matière " 1thermiquement expansée" non traitée la matière fine- ment broyée et criblée, de grosseur de grains O 0,3 mm, était ajoutée à l'état sec, dans un réservoir équipé d'un mélangeur à ailettes A la suite de l'homogénéisation, la boue de curage ainsi pré-traitée était extraite avec une pompe à diaphragme et à piston pour être envoyée dans le filtrepresse à chambres Dans la conduite de refoulement de la pompe à diaphragme et à piston, mais avant le filtre-presse à chambres, on introduisait propor- tionnellement au débit un polyélectrolyte dans une proportion de ou 150 g/m 3 Après une période de compression de 1,5 h sous une pression de filtration de 15 bars, il était mis fin à l'opération de filtration Le gâteau de filtre-presse déshydraté présentait une teneur en matières sèches supérieure à 30 %. A part un faible trouble du premier jet, le filtrat avait un aspect limpide à l'oeil, avec une teneur en matières solides de moins de O,1 %. Exemple 2 Une boue de résidus biologiques épaissie, ayant une teneur en matières sèches de 3,0 %, a été pré-traitée avec 10 kg de matière expansée silanisée Le composé du silicium utilisé pour l'hydrophobisation était appliqué de façon connue en soi dans une proportion de 0,2 % en poids L'addition de l'adjuvant de filtrage hydrophobisé s'effectuait en amont d'une pompe volumé- trique, à l'aide d'un mélangeur statique A la suite de la pompe volumétrique, une solution de polyélectrolyte à O,1 % était ajoutée de façon connue en soi, à raison de 150 g Après une durée de compression de 120 mn sous une pression de 15 bars, le gâteau de filtre-presse déshydraté avait une teneur en matières sèches de 29,4 %. Exemple 3 Une boue de curage, contenant des hydroxydes de métaux lourds et une huile, en provenance d'une installation de désé- mulsificationa été traitée avec l'adjuvant de filtrage et le polyélectrolyte de la manière décrite dans l'exemple 1 La quantité d'adjuvant de filtrage s'élevait à 5 kg/m 3, celle du polyélectrolyte à 150 g/m 3 A la suite de l'opération de filtra- tion, le gateau de filtre-presse déshydraté avait une teneur en matières solides de 27,2 %. Dans des conditions opératoires par ailleurs semblables, une matière thermiquement expansée, pré-traitée par un polyélec- trolyte, donne des résultats comparablement satisfaisants. Boue de curage Adjuvant de filtrage Polyélectrolyte Matières solides dans le gâteau de filtre-presse Boue de curage stabilisée 10 kg/m 3 100 g/m 3 33,5 % par anaérobies (Ex 1) 3,5 % de matières sèches 10 kg/m 3 34,6 % Dosage de comparaison 20 kg de chaux/m 3 5 kg de Fe Ol 314 % 6 H 20/m 3 4 Boue de résidus 10 kg/m 3 150 g/m 3 29,4 % biologiques silanisé à 0,2 % en (Ex 2) 3,0 % de matières sèches poids Boue huileuse pré-traitée 3 kg/m'3 150 g/m 3 27,2 % (Ex 3) avec des sels de métaux lourds o'Q tn CO REVEI$I CAT IONS 1 Procédé pour le drainage de boues, et en particulier de boues de curage d'eaux d'égout, par filtration avec utilisation d'adjuvants de filtrage, caractérisé en ce qu'avant la filtration, il est ajouté à la boue, en tant qu'adjuvant de filtrage, une matière volcanique thermiquement expansée sous forme de particu- les, ayant une densité apparente de moins de 0,09 kg/l avec une grosseur moyenne de particules comprise entre 20 et 300 microns, dans des proportions se situant entre 2 et 10 kg par m de boue humide, et en ce qu'il est ensuite procédé à la filtration. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le drainage est effectué au moyen de filtres-presses à chambres ou de presses de compression. D Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le poids de la matière volcanique thermiquement expansée sous forme de particules, utilisée comme adjuvant de filtrage, est inférieur au double du poids de matières solides de la boue à drainer. 4 Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les matières volcaniques thermiquement expansées sous forme de particules, utilisées comme adjuvant de filtrage, sont employées avec des polyélectrolytes déjà connus en soi pour le drainage de boues. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que les matières volcaniques thermiquement expansées sous forme de parti- cules, utilisées comme adjuvant de filtrage, ont été pré-traitées par les polyélectrolytes avant leur emploi. 6 Procédé selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que les matières volcaniques thermiquement expansées sous forme de 1 l particules sont aux polyélectrolytes dans le rapport de poids de : 1 à 200: 1. 7 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les matières volcaniques thermiquement expansées sous forme de particules ont été rendues hydrophobes. 8 Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'hydrophobisation est effectuée au moyen de siloxanes. 9 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la totalité des adjuvants de filtrage ajoutés est de moins de 12 kg par m 3 de boue humide.