Brevet FR2565580A1 — publié le 19851213

- 1 -- Procédé de conditionnement de boue organique L'invention concerne le conditionnement de boues, contenant une proportion essentielle de produits organi- ques. Il s'agit avant tout de boues provenant du traite- ment des eaux et de la biotechnologie. Le procédé conforme à l'invention est approprié en particulier à l'améliora- tion du comportement à l'égard de la filtration, à l'em- pêchement du pourrissement pendant la durée du traitement ultérieur et à la réduction de la masse et du volume de la boue. Lors du traitement des boues organiques, il y a lieu d'atteindre les buts suivants: 1. Accroissement de.la concentration de boue pour économiser du volume en vue des processus de traitement ultérieur; 2. Amélioration de la déshydratabilité en vue de l'obten- tion d'un produit solide, par exemple pour la prépara- tion en vue d'un traitement sur des aires de déshydra- tation de boue, pour la filtration artificielle ou la centrifugation; 3. Empêchement du pourrissement pendant le traitement ultérieur ou de façon définitive (stabilisation); 4. Désinfection de la boue. Pour accroître la concentration des boues, on a recours avant tout à la sédimentation dans des dispositifs d'épaississement ou à la flottation. La masse de substance sèche n'est alors pas diminuée alors que le volume est diminué d'environ 50%. A l'aide de la sédimentation, on ne peut atteindre que des teneurs en matières sèches faibles. Pour accroître la vitesse d'é- paississement, il est connu de disposer, à l'intérieur du dispositif d'épaississement, des dispositifs du type rable. Il est de plus connu de mettre en oeuvre des vibreurs. Grâce à cela, il se produit un assemblage des - 2 - produits solides et l'eau se trouve séparée. D'autres effets de cette façon de procéder ne sont pas connus. Une amélioration du comportement à la déshydratation est obtenue à côté des procédés de stabilisation par l'addi- tion des produits floculants et par un traitement thermique. Il est de plus connu d'obtenir une masse colloïdale homogène dispersée,par traitement d'une boue activée par des oscilla- tions à haute fréquence (ultrasoniques). Ce procédé ne peut être mis en oeuvre qu'en liaison avec l'une des flo- culations chimico-physiques suivantes étant donné qu'après destruction des flocons de boue activée, il est nécessaire de réaliser une nouvelle formation de flocons. Actuellement, on réalise la stabilisation essentielle- ment d'après le procédé aérobie ou anaérobie. Un raccour- cissement important du temps de traitement est obtenu à l'ai- de de la stabilisation enzymatique de boue développée par les demandeurs. La dépense énergétique est alors d'environ 7,5 kWh/m3 de boue. Les procédés de conditionnement aérobie qui sont efficaces sous des conditions psychrophiles et mésophiles, ont une durée de 10 à 17 jours, et sous des conditions thermophiles on a atteint des durées de 3,5 à 5 jours. L'invention a pour but de trouver un procédé à l'aide duquel on diminue fortement la durée de conditionnement de boues simultanément à une bonne déshydratabilité. La dépense énergétique nécessaire doit être faible et l'on veut pouvoir renoncer à l'utilisation de produits chimiques et de ferments. La boue ne doit pas pourrir au cours de l'étape de déshydratation subséquente et doit accroître l'efficacité de celle-ci par une forte réduction de volume et de masse. L'invention a pour objet de développer un procédé qui, par la création de conditions optimales pour le développement des microorganismes dans une succession non encore connue et par la combinaison d'étapes de procédé - 3 - qui jusqu'alors: ne pouvaient être réunies techniquement, conduit à une modification de la répartition de la fréquence des groupes systématiques individuels de microorganismes et qui, par élimination des inhibiteurs qui se forment sous des conditions naturelles permet d'atteindre par surproduction un accroissement de l'activité de ceux-ci, conduit à un raccourcissement radical du déroulement de l'ensemble du procédé de stabilisation aérobie de boues organiques et à une diminution significative du volume des boues simul- tanément à une diminution de la masse de matières séches. En faisant se dérouler le procédé sous des conditions psychrophiles (température préférée 285... 291 K) et par création de conditions marginales électrocinétiques, physico- chimiques et physico-macaniques ainsi que par l'influence d'activateurs catalytiques et par l'élimination d'inhibi- teurs, on vise à rendre possible une économie importante d'énergie et une diminution du volume de réacteur nécessaire. Les demandeurs ont développé un procédé dans lequel des suspensions sont amenées à traverser par filtration une couche de filtration à grain fin. L'6limination des produits séparés par filtration est effectuée en continu sans inter- tuption du processus de filtration à l'aide d'une pompe d'eau sale à partir d'un appareillage délimitant un volume prédéterminé et créant dans ce volume une direction de courant opposée à celle de l'eau à filtrer en vue de netto- yer la couche de filtration. A l'aide d'un tambour rotatif, on assiste le processus de nettoyage du sable, ce grâce à quoi on réalise une régénération mécanique-hydraulique de la surface de filtration. Dans le but de réaliser la déshydratation, on a procédé comme suit au moment du chargement de l'installation de filtration avec de la boue contenant des substances organiques: De la boue excédentaire provenant d'installations d'activation (seule et en mélange avec de la boue primaire non-traitée et préépaissie) a été mise en place sur le -4- filtre. Celui-ci a été régénéré à intervalles déterminés par le tambour de nettoyage qui est animé par un mouve- ment de va-et-vient. En ce faisant on a éliminé de la boue pendant la filtration un filtrat en une quantité qui était celle à laquelle on devait s'attendre. La résistance spécifique à la filtration ne se modifiait alors pas significativement, selon la température de la boue, pendant les premières 2 à 3,5 heures. A la fin de cette durée, on a constaté avec surprise que la structure de la boue se modifiait tout à coup. Il se produisait une floculation nettement visible d'un genre structurellement différent à celui des flocons amorphes de la boue activée. En réalisant un examen plus approfondi, on a constaté une très forte augmentation du potentiel Redox de 300... 500 mV et une diminution soudaine de la consommation spécifique d'oxygène des microorganismes de 1,2 mg/(lmin) d'oxygène. Ensuite, le potentiel Redox s'est abaissé rapidement de 200... 400 mV jusqu'à +10 mV. En dépit de la durée de traitement très courte, il ne s'est pas produit de pourrissement de la boue pendant la déshydratation naturelle ou mécanique subséquente. En poursuivant le traitement, ces paramètres se sont dété- riorés pendant les 3 à 4 heures subséquentes, après quoi s'est produit de nouveau le même effet de la diminution subite de la résistance spécifique à la filtration et de l'apparition des bonnes propriétés de déshydratation. L'effet décrit s'est présenté de façon particulière- ment intense lorsque la boue activée avait été soumise avant le traitement pendant un court laps de temps à des conditions anaérobies. On a constaté par ailleurs que l'effet se produit également lorsque le tambour ne plonge pas dans la couche de sable et lorsqu'aucun liquide n'est séparé par fil- tration. Il est vrai que l'intensité diminuait alors. -5- L'effet s'affaiblissait également lorsqu'au cours du pro- cessus on a introduit des quantités supplémentaires de boue après les premières 90 minutes. Dans le cas o le tambour n'agissait pas à l'intérieur du volume délimité, il ne s'était produit qu'une seule modi- fication de la structure de la boue. C'est sur la base de cette découverte que le problème a été résolu en activant de façon continue,ou à des in- tervalles prédéterminés avec une fréquence d'au moins 0,3 s, de la boue contenant au moins 0,5% de matière sèche organique et en introduisant simultanément de l'oxy- gène. L'activation et l'introduction d'oxygène peuvent avoir lieu simultanément à l'intérieur de l'ensemble du volume de réacteur, mais il est avantageux pour exploiter entière- ment l'effet découvert, de délimiter à cet effet un volume partiel, ce domaine étant déplacé à des intervalles de temps prédéterminés ou de manière continue à travers le réacteur de conditionnement. En ce faisant, on finit par mettre en oscillations et par aérer la totalité du volume de boue selon un cycle déterminé. Après 2 à 5 heures de traitement, il est nécessaire d'imposer, à l'extérieur du domaine délimité, des conditions anaérobies. Par la modifi- cation de la localisation de ce domaine délimité à l'inté- rieur du réacteur, il se produit une alternance constante de conditions aérobies et anaérobies, alternance qui est nécessaire pour la deuxième phase de conditionnement de la boue. Il est prévu de traiter la boue jusqu'à l'obtention d'une élévation de potentiel Redox de 300... 500 mV. A l'issue d'une durée de traitement de 90 à 180 minutes, on n'introduit plus d'autres quantités de boue. De plus, et avant l'aération, on amène la boue pendant 30 à 120 minutes à un état anaérobie. Comme domaine de fréquence préféré, on choisit 0,6 à 1,25 s1 * La teneur préférée en matière sèche organique est de 16 à 40 g/l. Le procédé est intensifié en déshydratant la boue de manière continue - 6 - pendant le traitement. Les produits de métabolisation gazeux sont éliminés de la boue notamment par aération. Les produits dissous sont éliminés de façon continue avec le filtrat. Par ailleurs, il se produit un lavage de la boue. Les propriétés de déshydratation de la boue sont sensiblement améliorées si l'on ajoute à la boue pendant le traitement un matériau granulaire, présentant une densité différente de celle de l'eau. La création des oscillations peut être effectuée de diverses manières. Pour ce faire, on peut avoir recours en particulier à des corps rotatifs ou à des vibreurs. Toutes les conditions du procédé sont réalisées de manière tout particulièrement avantageuse lorsque la boue est amenée sur une cduche de filtration granulaire. L'activation est alors produite par un corps rotatif. Celui-ci est situé à l'intérieur d'un espace délimité qui est déplacé audessus de la surface de filtration. On réalise alors plusieurs effets supplémentaires: - la régénération de la couche de filtration pour la dés- hydratation de la boue, - la fluidisation du sable pour l'amélioration du degré de dispersion, - l'aération à l'intérieur d'un domaine délimité à locali- sation variable. Le traitement conforme au procédé selon l'invention conduit tout d'abord à l'utilisation de sources d'énergie exogènes après quoi débute la respiration endogène. En raison de la haute concentration en substances organiques, de l'activité respiratoire des micro-organismes supérieure à la moyenne et de l'absence, due au procédé, des inhibiteurs naturels, la masse présente de la population de bactéries meurt d'un seul coup, ce grace à quoi les bio- polymères formés, ies composés protéiniques à haut poids moléculaire et le's polymères extracellulaires adsorbés -7- contre les parois extérieures des cellules, provoquent un processus de floculation. La floculation peut être favorisée en mettant en fluidisation avec la boue un matériau granuleux (par exemple du sable), ce grâce à quoi l'effet mécanique de l'activation sur le degré de dispersion de la boue est sensiblement renforcé. A ce moment, la plupart des bactéries pathogènes sont mortes en raison du potentiel Redox fortement accru. La consommation spécifique d'oxygène s'abaisse soudainement à la valeur de la respiration endogène (A A = 1,2 mg 02 (1 x min), simultanément à un abaissement de la valeur du pH. La boue est à ce moment techniquement stabilisée, c'est-à-dire rendue incapable de pourrissement de façon permanente, rendue sans odeur et déshydratable, à des volumes de > 50% et la matière sèche envisagée par rapport à la quantité de départ est diminuée de > 20%. Lorsque le procédé est poursuivi au-delà de cette étape de la même manière, des conditions anaérobies étant imposées à l'extérieur du domaine délimité, il se produit dans les 3 à 4 heures subséquentes une nitrification et une dénitrification combinée hautement efficace des composés azotés. Après consommation des sources d'énergie exogènes, on attaque les réserves internes (polysaccharides, graisses). La respiration endogène consomme ces produits, après quoi se produit finalement l'oxydation de la protéine cellulaire. En même temps commence le procédé d'oxydation de l'ammo- niaque, libérée lors de l'oxydation biochimique des substances organiques en NO2 et NO3. Etant donné que ce procédé est consommateur d'oxygène, il se trouve que la consommation spécifique d'oxygène augmente fortement. Si l'alimentation en oxygène est limi- tée à un espace délimité se déplaçant au-dessus de la sur- face de liquide, il se produit dans celui-ci des processus intensifs de nitrification conduisant à la. libération -8- d'acide nitrique. Cet acide entraîne, s'il n'est pas éliminé du système, un abaissement du pH et, lié a cela, un freinage du déroulement du procédé. Lorsque l'espace délimité, enrichi en oxygène, continue à se déplacer, l'oxygène dissous est consommé totalement en quelques minutes en raison de la consommation spécifique d'oxygène très élevée des processus de nitrification. Par suite du fait que les bactéries dénitrifiantes ont la pro- priété d'être des micro-organismes facultativement anaérobies, elles deviennent actives à ce moment. En utilisant comme substance organique les bactéries tuées pendant la respira- tion endogène, substance organique qui sert de source d'hydro- gène et en utilisant l'acide nitrique formé lors de la ni- trification, on réalise, grâce à ces bactéries et sous des conditions anaérobies la réduction dissimilative de nitrate en N2. Parallèlement à cela, se déroule la réduction assimi- lative de nitrate en azote organique (protéine cellulaire). Au bout de 3 à 4 heures, il se produit de nouveau de manière subite une modification des propriétés de la boue. Celle-ci devient facilement déshydratable. L'alimentation supplémentaire en oxygène concourt au fait que grâce aux micro-organismes nouvellement formés, les substances orga- niques encore présentes et biologiquement dégradables sont oxydées.A ce moment, la boue est ramenée à environ 9% de son volume de départ et la masse de matière sèche est diminuée de 70%. Après d'autres 2 à 4 heures, le volume diminue à de déshydratation restant bonnes. Grâce à la propriété des bactéries d'attaquer, pendant les périodes de pénurie en éléments vitaux (carbone, azote, soufre, phosphore, oxygène), leurs propres réserves internes, il se produit un appauvrissement intracellulaire en éléments importants. Si après ces périodes de pénurie les bactéries arrivent dans des domaines dans lesquels règne un excédent en ces éléments, il se produit une surcompensation. - 9 - Grâce à la conduite, conforme à l'invention, du procédé, on obtient une intensification non connue jusqu'alors, de la biotechnique sans addition d'enzymes ou de produits chimiques,sous des conditions psychrophiles, ce grâce à quoi on réalise des durées de réaction, y compris l'épais- sissement de la boue, de 4 à 12 heures par rapport aux 3, 5 à 5 jours lors de la stabilisation aérobie thermophile et mésophile de la boue et cela pour une mise en oeuvre énergétique et d'investissement plus faible. Grâce à la réduction de la masse et du volume de la boue organique et à la résistance spécifique de filtration faible, la déshydratation subséquente est rendue plus efficace de 300 à 500% et les dispositifs d'épaississement de la boue pour le pré- et post-nettoyage deviennent totalement superflus. EXEMPLE Dans une installation de traitement d'eaux résiduaires ayant une capacité journalière de 210.000 m3/d, on obtient 1470 m3/d de boue primaire ayant une teneur en matières sèches de 40 g/l (dont 65% de matière sèche organique), 5026 m3/d de boue activée ayant une teneur en matières sèches de 15g/1 et 1470 m3/d de boue activée ayant une teneur en matière sèche de 1%. Dans deux récipients de stockage, on soumet alterna- tivement la boue obtenue après aération intensive de 0,5 à 2 heures à des conditions anaérobies. La stabilisation aérobie/anaérobie psychrophile de la boue a lieu dans des bassins ouverts présentant une profondeur de 1,5 m. Sur le fond rendu étanche, se trouve une couche de drainage d'une épaisseur de 0,1 m, avec un tuyau de drainage par largeur courante de bassin dans du sable d'une granulo- métrie de 0,6... 1,2 mm. Au-dessus de cette couche est disposée une couche de 30 cm de sable fin d'une granu- lométrie de 0,4... 0,63 mm. La profondeur libre de bassin est de 1,1 m. Une installation déplaçable en direction - 10 - longitudinale est disposée sur le bassin dans laquelle, à l'intérieur d'un espace enfermé, un tambour rotatif qui à la fois fluidise la couche supérieure du filtre à sable fin, introduit de l'oxygène dans la boue et chasse des produits de métabolisation sous forme gazeuse formés simultanément par les micro-organismes. De plus, il est possible de favoriser l'introduction d'oxygène dans l'ins- tallation pendant le déroulement du procédé dont le besoin spécifique en oxygène est très élevé, par adjonction d'aé- rateurs supplémentaires. La boue qui est soumise dans le récipient de stockage à des conditions anaérobies est amenéeen 20... 60 min. en passant par une installation d'aération intensive en une quantité de 1 m3/m2 de surface de filtration, dans les bassins pour la stabilisation psychrophile aérobie/anaérobie de la boue. Au début du remplissage, on déplace l'installation avec une vitesse de 1, 5 m/min. dans le sens longitudinal au-dessus du bassin, le tambour tournant avec une vitesse de 60 s-1 et plongeant de 4... 6 cm dans la couche de sable fin. Le potentiel Redox s'accroit de -200 mV à +100.. 400 mV et plus. Le besoin spécifique en oxygène s'accroît simultanément jusqu'à 1,8... 2,0 mg 02/(1 x min), puis baisse soudainement après 90 à 120 minutes à 1,2... 0,5 mg 02/(1 x min.). La même tendance est notée en ce qui concerne la valeur du pH. L'installation réalise, à côté de l'introduction impor- tante d'oxygène et de l'enlèvement des inhibiteurs du processus métabolique, un très bon mélange et une dispersion de la boue, ce grâce à quoi de très bonnes conditions de vie sont créées pour les microorganismes qui métabolisent des substances organiques. Après 90 à 180 minutes, on a éliminé environ 40% de la phase liquide sous forme de filtrat comportant, à l'état -.il - dissous dans ce filtrat, les substances difficilement métabolisables du point de vue biochimique et d'autres composés dissous. La respiration exogène de la population en masse, présente, tend vers sa fin. Ces bactéries meurent et c'est alors que commence la phase de la respiration endogène et de la nitrification de l'ammoniaque formée. La capacité de dégagement d'eau de la boue baisse alors de façon signi- ficative. A ce stade, la boue est incapable de pourrisse- ment pour un temps et peut être soumise au compostage, à la déshydratation ou à d'autres traitements. Si l'on poursuit le traitement, l'on oxyde à l'aide des bactéries nitrifiantes le NH+ en HNO et HNO3. Pour 4 2 lN3. ou éviter une forte réduction du pH qui se produit normalement sous ces conditions et qui est due à la formation de l'aci- de nitrique, on réduit le HNO2 et le HNO3 parallèlement et simultanément au processus de nitrification à l'état anaérobie en azote gazeux à l'aide de dénitrifiants ana- érobies au sein du même volume d'eau. Ce processus est rendu possible par le fait que dans l'installation, on règle une saturation en oxygène techni- quement obtenable. A l'extérieur de l'installation, on consomme totalement en quelques minutes l'oxygène dissous en raison du besoin d'oxygène spécifique très élevé (supérieur à 3 mg 02(1 x min.)) du processus de nitrifi- cation. Pendant les conditions anaérobies alors présentes, l'acide nitrique formé est immédiatement réduit. Ce processus dure jusqu'à ce que l'installation amène de nouveau de l'eau saturée en oxygène et jusqu'à ce qu'ainsi se déroulent la nitrification et la dénitrification. Grâce à la fluidisation permanente du sable de filtration, il existe à côté de la bonne dispersion de la boue une phase solide pour la croissance des bactéries, ce grâce à quoi on rencontre des conditions de régénération sensiblement plus favorables que dans la masse d'eau. - 12 Au bout de 4 à 5 heures, ce procédé atteint son point culminant. La capacité de céder l'eau de la boue s'améliore subitement de nouveau, la résistance à la filtration spécifique de la boue de départ s'abaissant en même temps de 2,66 x 101l' cm/g à 1,98 x 1011 cm/g. Au bout de 5 à 7 heures, c'est une proportion de 80 à 92% de la phase liquide de la boue qui est cédée sous forme de filtrat. La masse des quantités totales de substance sèche introduite est abaissée à 18%. La boue est incapable de pourrissement. - Les bactéries pathogènes ne sont plus en état de vivre en raison de l'accroissement important du potentiel Redox pendant le traitement. La boue résiduaire peut être déshy- dratée dans des étapes supplémentaires, étant donné qu'il est alors possible d'atteindre une haute efficacité en raison de la résistance spécifique faible à la filtration et en raison des bonnes propriétés de déshydratation, étant donné que les composés azotés qui gênent le processus d'é- paississement et de floculation n'agissent plus à ce moment et étant donné que l'on atteint un domaine de pH favorable pour le système colloïdal ainsi qu'un potentiel électro- cinétique avantageux. Commeil va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus particulièrement envisagés elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. - 13 - REVENDICATIONS 1.- Procédé de conditionnement de boue organique, dans lequel la boue est activée à l'aide d'énergie mé- canique ou d'oscillations, caractérisé par le fait qu'une boue contenant au moins 0,5% de matières sèches organiques est activée de façon continue ou à intervalles prédétermi- nés à une fréquence d'au moins 0,3 s, de l'oxygène étant introduit simultanément. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'activation et l'introduction d'oxygène ont lieu à l'intérieur d'un domaine délimité de la boue qui se trouve alors dans un réacteur de conditionnement, ce domaine étant déplacé à travers le réacteur de conditionne- ment à des intervalles prédéterminés ou de façon continue. 3.- Procédé selon les revendications 1 et 2, carac- térisé par le fait qu'au bout de 2 à 5 heures de traitement, on fait en sorte que des conditions anaérobies s'installent à l'extérieur du domaine délimité. 4.- Procédé selon les revendications 1 et 2, caracté- risé par le fait que la boue-est traitée jusqu'à l'obten- tion d'un accroissement de potentiel Redox de 300... 500 mV. 5.- Procédé selon les revendications 1 et 2, caracté- risé par le fait qu'au bout de 90... 180 min. après le début du traitement, il n'y a plus d'addition de boue. 6.- Procédé selon les revendications 1 et 2, carac- térisé par le fait que la boue est amenée, avant l'intro- duction d'oxygène, à l'état aérobie pendant 30... 120 min.. 7.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que de la boue contenant 16 à 40 g/i de matière sèche organique, est activée de façon continue ou à intervalles prédéterminés jusqu'à une fréquence de 0, 6 -1 à 1,2 s 1. 8.- Procédé selon les revendications 1 et 2, caractéri- sé par le fait que la boue est deshydratée de façon continue pendant le traitement. - 14 - 9.- Procédé selon les revendications 1 et 2, carac- térisé par le fait que les produits de métabolisation gazeux sont éliminés de la boue. 10.- Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que la boue est lavée pendant le traitement. 11.- Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que, pendant le traitement, on ajoute à la boue, un matériau granulaire dont la densité est différente de celle de l'eau. 12.- Procédé selon les revendications 1 et 2, carac- térisé par le fait que la création des oscillations est réalisée par un corps rotatif. 13.- Procédé selon les revendications 1, 2, 8, 11 et 12, caractérisé par le fait que la boue est amenée sur une couche de filtration granulaire et qu'elle est activée par le corps rotatif, le corps rotatif réalisant la fluidi- sation de la partie supérieure de la couche de filtration à intervalles prédéterminés, le grain de filtration étant ainsi amené en contact avec la boue. 14.- Procédé selon les revendications l'et 2, caractérisé par le fait que la création de l'oscillation est obtenue à l'aide d'un vibreur.