Brevet FR2588549A1 — publié le 19870417

La présente invention concerne un procédé pour le traitement thermique d'une boue biologique. Dans l'épuration aérobie, biologique des eaux usées des industries de la cellulose, et de la pâte de cellulose, il y a production de quantités notables de boue biologique, dont le traitement ultérieur est problématique. Cette boue a une capacité de rétention d'eau très élevée et par conséquent sa déshydratation mécanique est extrêmement fastidieuse. La déshydratation en utilisant de l'énergie thermique, c'est-à-dire par évaporation, est le plus souvent coûteuse sauf à disposer d'une source de chaleur avantageuse. On a étudié plusieurs procédés pour améliorer les propriétés de déshydratation de la boue ou pour se défaire de cette boue, mais chaque procédé utilisé présente des inconvénients importants ou implique des coûts économiques élevés. Les procédés de traitement des boues qu'on connaît dans l'art comprennent le traitement biologique aérobie ou anaérobie, le compostage,la déshydratation mécanique des boues en soi combinée avec la combustion ou avec l'utilisation d'agents d'amélioration des sols, le séchage de la boue par apport d'énergie thermique, et la production d'aliments pour animaux avec la boue pour matière première. On connaît également un perfectionnement des caractéristiques de déshydratation de la boue en procédant à son chauffage en phase liquide dans un réacteur pendant un bref laps de temps, d'où il résulte que la structure biochimique de la boue est transformée en une forme qui est davantage favorable au point de vue de la déshydratation. Dans les procédés de traitement de la boue qu'on connaît dans l'art antérieur, la boue est acheminée jusqu'à un réacteur et maintenue à une température de 170-240 C et à une pression de 0,8-3,5 MPa pendant une durée de 0,25-3 heures, à la suite de quoi la température de la boue est abaissée, par exemple par chauffage dans un échangeur de chaleur, la boue entrant dans le réacteur et en sortant.Après ce traitement, les propriétés de décantation et de déshydratation de la boue se sont généralement améliorées au point qu'on peut obtenir une faible valeur de la résistance spécifique au drainage (( 50 x 1012 mg/kg) et on peut obtenir une teneur élevée en matières sèches dans un équipement de déshydratation qu'on connaît en soi dans l'art, par exemple dans un filtre à aspiration, une centrifugeuse de boue, un filtre-presse, ou une presse à plateau. Les points négatifs des procédés de traitement thermique de la boue de l'art antérieur concernent en premier lieu les investissements élevés et les coûts d'exploitation. Les investissements sont élevés à cause des constructions nécessitées par les hautes pressions et températures, par les matériaux, et par le fait que la vapeur à contre-pression, qui est généralement employée dans les industries de traitement, ne peut être utilisée dans le chauffage de la boue par suite de sa pression relativement faible (0,3 MPa).Les coûts d'exploitation sont élevés à cause de la grande consommation d'énergie et de la contamination des surfaces due à la température élevée et à la charge sensiblement accrue imposée à l'équipement de purification par suite du taux élevé de dissolution des matières solides (35-50 %), ce dernier facteur impliquant éventuellement des investissements supplémentaires si la phase aqueuse de la boue traitée thermiquement doit être purifiée séparément ou si l'équipement de purification doit être agrandi. Dans les brevets DE-2 838 386 et DE-2-848 788, on décrit des modes opératoires dans lesquels on utilise un pH plus bas et une température de 60-950C pour améliorer les caractéristiques de déshydratation de la boue. Cependant, ce procédé améliore peu les caractéristiques de déshydratation de la boue. L'avantage qui est obtenu est trop faible au point de vue pratique pour amortir les coûts impliqués. A cet égard, on a indiqué également que les propriétés de déshydratation se détériorent lorsque la température du traitement est portée à une valeur supérieure à 1000C, et on a observé que les meilleures propriétés de déshydratation sont obtenues avec une température d'environ 95 C. La présente invention a pour objet un procédé permettant de renforcer le traitement thermique et par conséquent d'améliorer les propriétés de déshydratation d'une boue, biologique et qui soit exempt des inconvénients des procédés de traitement thermique de l'art antérieur. Selon la présente invention, le traitement thermique a lieu en suivant un mode opératoire dans lequel, au cours d'un premier stade, on ajuste le pH de la boue à une valeur comprise entre 3,0 et 4,5 et on traite ensuite la boue dans un moyen de traitement thermique connu en soi dans l'art à une température comprise entre 110 et 1500 C. On peut traiter la boue à une température de 110-150 C, valeur sensiblement inférieure à celle du traitement thermique classique, pendant une durée allant de 0,5 à 2 heures. A la suite de ce traitemen#t, les caractéristiques de déshydratation de la boue sont aussi bonnes que celles obtenues dans le traitement thermique classique à une température sensiblement plus élevée, le traitement ayant la même durée. Le traitement thermique peut même être encore amélioré en utilisant, en plus, un agent chimique agissant en agent oxydant tel que l'oxygène, l'ozone, le péroxyde ou le persulfate. L'utilisation d'un agent chimique oxydant améliore les propriétés de déshydratation de la boue et sa décantation. On a trouvé qu'en utilisant le mode opératoire de la présente invention, le procédé est sensiblement plus efficace que celui obtenu avec les modes opératoires de l'art antérieur dans la plage des températures supérieures à ll00C. On a rapporté dans la littérature des résultats qui concernent l'effet d'un pH plus faible comme facteur incitant à un traitement thermique plus rapide dans la plage des températures allant au-delà de 1700C, et on a noté que cela permettait d'avoir la possibilité de réduire le temps de traitement. Dans le mode opératoire de la présente invention, l'amélioration du procédé due à l'abaissement du pH et à l'utilisation d'un agent chimique oxydant est obtenue en faisant passer le fonctionnement à une plage de température sensiblement plus basse, d'où il résulte que, par suite de la pression réduite, de la vapeur à contre-pression devient utilisable dans le chauffage de la boue dans la plage de température allant de 110 à l300C; cela facilite une application considérable du traitement thermique comme mode opératoire de traitement de la boue dans les industries de transformation. Lorsqu'on utilise une basse température, l'équipement peut être également dimensionné pour des pressions beaucoup plus faibles, d'où il résulte la réduction des investissements et des coûts d'exploitation. Une température plus basse réduit également la consommation d'énergie, ainsi que la contamination des surfaces et donc les opérations de nettoyage, et les coûts d'entretien, car l'équipement est soumis à des contraintes moins élevées et à une température plus faible, et les pièces de rechange d'un équipement dimensionné pour supporter une pression plus basse ont un prix plus intéressant. La valeur optimum de la température , du pH et de la quantité d'agent oxydant dans le procédé de la présente invention dépend de la façon avec laquelle l'unité de traitement thermique est connectée aux autres installations et des caractéristiques de déshydratation auxquelles on aspire, fonction, par exemple, des autres boues, telles que la boue de fibre dans l'industrie de la cellulose, et de leur potentiel combiné de leur compactage et de séchage avec la boue biologique. Dans le procédé de la présente invention, la dissolution des matières solides dans le traitement pour obtenir un degré donné de séparabilité de l'eau, en utilisant comme référence la résistance spécifique au drainage de la boue, qui est connue en soi, est inférieure à celle rencontrée dans les modes opératoires du traitement thermique classique. Grâce à un faible pH, on obtient également un rapport plus favorable entre substances nutritives dissoutes et matières organiques dissoutes, ce qui se traduit par des exigences plus faibles en addition de substances nutrifiantes extérieures dans l'installation de purification biologique, à laquelle est transmise la phase aqueuse à la suite du traitement. Le procédé de la présente invention peut être efficacement intégré à des systèmes utilisés dans les industries du papier et de la cellulose, par suite de la basse température de fonctionnement et de la dissolution efficace des substances nutritives. Il devient possible de maintenir la température de traitement - sans s'éloigner du résultat final - à une valeur suffisamment basse pour permettre le chauffage de la boue jusqu a sa température ultime avec l'énergie de la vapeur à contre-pression dont on dispose généralement dans ce type d'industrie. Par contraste avec les eaux usées municipales, les effluents des industries du papier et de la cellulose contiennent très peu des substances nutritives dont on a besoin dans la purification biologique des eaux usées et il est donc nécessaire de les ajouter au processus de purification. Cela signifie des coûts de purification plus importants des eaux usées. Lorsque la boue qui doit être enlevée de l'équi pement de purification est traitée en appliquant le mode opératoire de la présente invention, une proportion élevée des substances nutritives est mise en solution et recyclée, après séparation des matières solides et la phase aqueuse de la boue traitée, en même temps que la phase aqueuse dans l'équipement de purification. Ainsi, la nécessité d'ajouter des substances nutritives à l'équipement de purifica tion se réduit à une fraction, de ce qu'elle était par le pas sé, ou devient inutile, ce qui rend plus économique la purification des eaux usées .Il est en outre possible à l'aide du mode opératoire de la présente invention, de réguler les condi tions de traitement d'une façon telle que la dissolution des matières solides et la libération des substances nutritives sont optimales en vue de la purification globale des eaux usées. La capacité de tamponnement de la boue d'effluent biologique provenant des industries du papier et de la cellu lose contre l'acide est beaucoup plus faible que celle de la boue provenant d'un équipement municipal de purification. On comprend ainsi que le mode opératoire de la présente inven tion convient particulièrement pour utilisation dans le traitement bio logique de la boue provenant des industries du papier et de la cellulose car le besoin d'ajouter de l'acide de manière à abaisser le pH est relativement mineur. Par rapport aux eaux usées municipales, la boue des effluents des industries du papier et de la cellulose est également caractérisée par la présence de fibres neutres du bois et de composés chimiques résiduels des étapes de traitement, une teneur plus élevée en cendres ou en matières minérales, une distribution différente du potentiel zéta et une consistance différente, la boue des industries du pa pier et de la cellulose comprenant des particules plus fines avec des caractéristiques de sédimentation plus mauvaises que celles des déchets municipaux. La présente invention sera bien comprise lors de la description suivante faite en liaison avec le dessin ci-joint dans lequel La figure représente un diagramme de circulation dans le procédé de la présente invention. La boue est transmise de l'usine de purification 1 à une cuve de mélange 2, connue en soi dans l'art, dans laquelle on ajuste son pH à une valeur comprise entre 3,0 et 4,5, et où l'agent chimique d'oxydation, en cas d'utilisation, peut être ajouté à la boue. A partir de la cuve de mélange, la boue est envoyée à un échangeur de chaleur 3, connu en soi dans l'art, dans lequel la boue quittant le réacteur l'échauffe jusqu a une valeur voisine de la température du réacteur. A partir de l'échangeur de chaleur, la boue est conduite jusqu'au récipient d'un réacteur 4, connu en soi dans l'art, dans lequel on effectue le chauffage final de la boue jusqu'à la température du réacteur (110-150 C) par application directe de vapeur. L'agent chimique oxydant peut également être introduit directement dans le réacteur.La durée du séjour de la boue dans le réacteur est comprise entre 0,5 et 2 heures. Le résultat final du traitement peut être enregistré en mesurant la résistance spécifique au drainage de la boue dans un simple filtre à pression en faisant appel à un procédé connu dans l'art. La boue qui a réagi est acheminée, par l'intermédiaire de l'échangeur de chaleur, jusqu'à un moyen de compactage et de séchage 5, connu lui-même en soi dans l'art. Ce moyen peut typiquement être un bassin de compactage, un filtre à aspiration, une centrifugeuse de boue, un filtre-presse, une presse à plateau ou un séchoir fonctionnant à l'énergie thermique. La boue tassée ou séchée est acheminée vers une nouvelle étape de traitement ou peut être utilisée. L'eau qui a été libérée par la boue est renvoyée à l'usine de purification des eaux usées pour être traitée une fois de plus. Les substances nutritives qui sont passées en solution accompagnent l'eau jusqu'à l'usine de purification. On donnera ci-après des exemples de modes de réalisation de la présente invention. Dans des tests des modes de réalisation n0 1 à 11, on achemine chaque fois 7 litres de boue biologique provenant de l'équipement de purification des eaux usées d'une fabrique de pâte à papier, pré-concentrée jusqu'à une teneur en matière sèche soit de 3 % soit de 6 % avec le pH ajusté à la valeur désirée, jusqu a un autoclave; on chauffe l'autoclave avec l'aide d'un serpentin de chauffage jusqu'à la température ultime désirée, et on laisse la boue réagir pendant la durée désirée. On abaisse alors la température du réacteur en faisant passer de l'eau froide dans le serpentin de chauffage. Après refroidissement de la boue jusqu'à la température ambiante, on mesure la résistance spécifique au drainage de la boue ainsi que sa teneur en solides dissous et en substances nutritives à base de phosphore. Les resultats sont résumés dans le tableau 1. Dans les essais n0 12 à 15, on ajoute à la boue du persulfate d'ammonium, à titre d'agent chimique oxydant, avant le traitement suivant une quantité qui s'élève à 2 % de la teneur en matières solides dans la boue. Les résultats sont résumés dans le tableau 2. TABLEAU 1 N0 Matiè- Tem- Temps pH Résistance Phospho- Solides d'ex- res sè- péra- de 'spécifique re dis- dissous, pé- ches ture réac- | au drainage,|sous,% |% rien- dans la de tion, m/kg ce boue réac- heu- | d'en- tion, res trée,% OC 1 3 110 2 3,0 150.1012 2 | 6 120 2 |4,5 260.1012 3 3 6 120 2 3,5 38.10 4 | 3 130 E 0,5 3,5 110.1012 1 5 3 130 | 2 6,5|390.1012 24 | 29 6 3 .130 | 2 .5,5170.1012 | 31 j 23 7 ~ 3 130 2 |4,5| 21.1012 | 53 | 21 j 8 | 3 130 | 2 |3,5| 2.1012 | 67 | 22 9 | 6 150 1 |5,5 43.1012 35 31 10 | 6 |150 | 1 3,5 3.1012 69 23 11 6 180 | 1 6,5 5.1012 50 41 TABLEAU 2 N 1Matiè- Tem- Temps pH Addition d'agent Résistance | d'ex-|res sè- péra- de | chimique oxydant spécifique i pé- ches ture réac- | au draina rien- dans laide tion, | ge,m/kg ce boue |réac- heu- d'en- tion,|res trée,% C 12 3 1120 2 4,5 Non 45.1012 13 3 120 2 4,5 Oui 16.1012 14 3 120 2 3,5 Non 12.1012 15 1 3 120 2 3,5 Oui 5,3.1012 La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1 - Procédé pour le traitement thermique d'une boue biologique, caractérisé en ce que le pH de la boue est dans un premier stade ajusté à une valeur comprise entre 3,0 et 4,5 et la boue est ensuite traitée dans un équipement de traitement thermique connu en soi dans l'art, à une température comprise entre 110 et l500C. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on ajoute à la boue un agent chimique agissant en agent oxydant avant le traitement thermique ou au cours de celui-ci. 3 - Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la durée du traitement thermique est comprise entre 0,5 et 2 heures. 4 - Procédé selon la revendication 1, la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce que les substances nutritives libérées dans le procédé sont ramenées à l'équipement de purification.