Brevet FR2676728A1 — publié le 19921127

Procédé et dispositif pour éliminer les composés d'ammonium contenus dans des eaux usées La présente invention concerne un procédé et un dispositif destinés à éliminer les composés d'ammonium contenus dans des eaux usées, en particulier des eaux de filtration provenant de boues biologiques. Il est connu de faire subir un traitement supplémentaire à la boue de sédimentation provenant de processus de putréfaction d'installations d'épuration, dans des presses à filtre ou des centrifugeuses Tandis que les matières solides obtenues sont ensuite calcinées ou transportées à la décharge, l'élimination du filtrat contenant de l'ammonium se heurte à des difficultés considérables La concentration des composés d'ammonium dans ces filtrats se situe généralement entre 0,7 et 1,6 g NH 4-N/1. Par la technologie des cokeries, on connaît un procédé d'élimination des composés d'ammonium des eaux usées contenant de l'ammonium, d'une concentration comprise entre 8 et 20 g/l environ, au moyen de ce qu'il est convenu d'appeler un strippage avec de la vapeur Les eaux usées de cokeries contiennent, outre de l'ammoniac, également du C 2 H 2 S et de faibles quantités de HCN. Ce procédé ne peut être appliqué au traitement des eaux de filtrat mentionnées, car ces quantités sur- stoechiométriques contiennent du dioxyde de carbone qui lie l'ensemble de l'ammonium sous forme de bicarbonate d'ammonium volatil (NH 4 HCO 3). Il est hors de question d'introduire les eaux usées dans l'installation d'épuration, car ceci conduirait à un circuit d'ammonium. D'autre part, le législateur exige que les concentrations d'ammonium soient limitées à des valeurs inférieures à 50 mg NH 4-N/1. Pour satisfaire aux exigences légales, il est connu d'ajouter à l'eau usée une quantité sur-stoechiomé- trique de lessive de soude et de soumettre l'eau usée ensuite à un strippage à l'air ou à la vapeur Par addition de lessive de soude, le p H de la solution passe à des valeurs de ltordre de 10,5 à 11 En même temps l'équilibre de la réaction est déplacé en direction de l'ammoniac libre, par suite de la modification du p H L'addition de lessive de soude a pour effet de lier le C 02. Pour obtenir le p H élevé correspondant, il faut d'importantes quantités de lessive de soude Par exemple, si l'on utilise de la lessive de soude à 30 pour cent, il faut 20 litres de Na OH par m 3 d'eau usée Il en résulte une forte salinité de l'eau usée En outre, les quantités très importantes de produits chimiques augmentent de façon indésirable le coût d'exploitation. D'autre procédés chimiques aussi se caracté- risent, comme le procédé dit MAP (procédé magnésium- ammonium-phosphate), par une consommation très importante de produits chimiques. L'invention a donc pour but d'offrir la possibilité de traiter les eaux usées contenant de l'ammonium pour permettre d'éliminer les composés d'ammo- nium sans addition de quantités importantes de produits chimiques. Ce but est atteint avec un procédé suivant l'invention qui, dans sa forme de réalisation la plus généralese caractérise par les étapes suivantes: L'eau usée contenant de l'ammonium est envoyée à une colonne à garnissage Avant son introduction dans la colonne à garnissage, elle est chauffée (dans l'atmosphère ambiante) à une température d'au moins 95 ' Celsius De préférence, l'eau usée est chauffée à la température d'ébullition A cet effet on a recours, par exemple, à des échangeurs de chaleur ou à d'autres dis- positifs de chauffage indirect Par suite de l'échauffement de l'eau usée, il se produit un fort dégagement de gaz La séparation de la phase gazeuse et de la phase liquide doit s'effectuer dans un dispositif séparé La phase gazeuse est principalement constituée d'aimoniac (NH 3) et de dioxyde de carbone (C 02) Dans la phase gazeuse il ne reste plus que des composés d'ammonium liés (en particulier avec des constituants organiques) Ce dégazage a pour résultat d'éliminer environ 70 à 90 % de la quantité totale de C 02- Après cette première étape de séparation, la phase liquide est envoyée à la tête de la colonne à garnissage La colonne elle-même reçoit, à partir du bas, de la vapeur chaude (gaz inerte) La vapeur chaude sert, dans ce cas, de gaz de support, pour maintenir la tempéra- ture préalablement établie (environ 100 Celsius) également dans la colonne de strippage. La colonne à garnissage aen outrepour but de mettre à disposition une surface d'échange de matières aussi grande que possible. A l'extrémité inférieure de la colonne à garnissage, on soutire l'effluent qui ne contient pratique- ment pas de composés d'ammonium et qui est envoyé par exemple à une installation d'épuration. La vapeur se formant dans la tête de la colonne à garnissage est ensuite envoyée à un condensateur. Pour obtenir une phase gazeuse (de vapeur) aussi homogène que possible, il est possible,à cet effet,d'envoyer le gaz extrait de la cuve de dégazage, à cet endroit, dans la tête de la colonne à garnissage, ce qui fait que la phase gazeuse, dans son ensemble, est envoyée à l'unité à conden- sateur monté en aval. La majeure partie de la vapeur chaude utilisée pour le strippage ainsi que la vapeur provenant de la cuve de dégazage sont condensées dans le condensateur en aval duquel il est possible de monter un échangeur de chaleur Dans ce cas, le condensateur et l'échangeur de35 chaleur sont refroidis, de préférence, avec de l'eau froide ou à l'air. Le condensat se foarmant dans le condensateur ou dans l'échangeur de chaleur monté en aval, contenant essentiellement du bicarbonate d'ammonium, est ensuite renvoyé dans la colonne à garnissage (à sa tête) Aupara- vant, il est ajouté,au condensat une base, de préférence de la lessive de soude La quantité de lessive de soude nécessaire pour obtenir une séparation plus poussée de l'ammoniac, correspond donc, ici, au maximum, à la quantité stoechiométrique qui est nécessaire pour la transformation du bicarbonate d'ammonium résiduel Elle est donc nettement inférieure à la quantité de lessive de soude nécessaire dans l'état de la technique. Le condensat recyclé est à nouveau traité dans la colonne à garnissage, de la manière décrite précédem- ment. Dans l'échangeur de chaleur monté en aval il se forme encore du bicarbonate d'aimonium cristallin non dissous, sous la forme d'un brouillard (dénommé ci-après aérosol) Celui-ci est extrait du condensateur et lavé dans un absorbeur monté en aval, à l'aide du liquide du circuit. Le bicarbonate d'ammonium prélevé de l'absorbeur est ensuite éliminé. Si ceci est souhaitable pour un traitement plus poussé, il est possible d'ajouter, à la phase liquide, avant son introduction dans la colonne à garnissage, également une quantité partielle d'une base, de préférence une lessive de soude Le p H de la phase liquide est ainsi relevé et l'ammoniac encore présent est chassé Il en résulte du carbonate de sodium et de l'ammoniac. Pour empêcher que le carbonate formé dans le condensateur ou dans l'échangeur de chaleur n'adhère aux parois, il est avantageux de le laver avec un liquide A cet effet, une forme de réalisation avantageuse propose d'extraire un courant partiel (environ 3 à 10 %) de l'eau usée d'origine et d'utiliser ce courant partiel pour laver les surfaces du condensateur ou de l'échangeur de chaleur. Par le recyclage décrit, du condensateur vers la colonne à garnissage, il est garanti que les composés d'ammonium encore contenus dans celui-ci, sont aussi éliminés. L'absorbeur est alimenté, de préf érence, avec l'aérosol, à partir du bas Par suite de la surpression régnant dans la colonne à garnissage, l'aérosol traverse l'absorbeur de bas en haut Le dioxyde de carbone désorbé peut être extrait à l'extrémité supérieure de l'absorbeur et envoyé dans l'atmosphère Etant donné que le C 02 désorbé contient encore fréquemment des substances odorantes, une forme de réalisation avantageuse de l'invention propose de faire passer le dioxyde de carbone à travers un filtre, de préférence un biofiltre, avant de l'envoyer dans l'atmo- sphère Ce filtre peut être garnipar exemplede compost. Par ailleurs, l'absorbeur fonctionne, de préférence, en circuit fermé, c'est-à-dire que le liquide est prélevé à l'extrémité inférieure de l'absorbeur et à nouveau distribué à la tête de l'absorbeur, ce qui a pour effet de concentrer la solution de bicarbonate d'ammonium qui est finalement prélevée Pour maintenir constante la quantité d'eau en circulation, on ajoute de l'eau fraîche le long de la conduite de retour. Selon une variante de réalisation, il est prévu de monter, en amont de la colonne à garnissage, une colonne en deux parties Dans ce cas, la phase liquide est envoyée dans la partie basse de la colonne et de la vapeur chaude est envoyée à contre-courant comme décrit tandis que la phase gazeuse est envoyée dans la partie supérieure o elle est mise en contact avec un liquide de refroidissement Le dioxyde de carbone dégagé est prélevé à la partie supé- rieure de la colonne et envoyé à l'atmosphère, le cas échéant à travers un biofiltre. La séparation précoce du dioxyde de carbone permet d'obtenir comme produit final, après le conden- sateur, de l'eau dite forte (solution de 15 à 20 pour cent de NH 4-OH) ou d'ammoniac. Il se produits en même temps dans la partie inférieure de la colonne située en amont, déjà décrite, une autre décomposition thermique du bicarbonate d'ammonium, par apport de vapeur. Le produit arrivant à la colonne à garnissage, de préférence à nouveau préchauffé à la température d'ébullition, est mélangé au produit de retour sortant du condensateur ou de l'échangeur de chaleur monté en aval Là encore, l'addition de lessive de soude sert à relever le p H et à lier le C 02 dans la solution, sous forme de carbonate de sodium. La description qui précède du procédé de traitement permet d'identifier déjà les composants essentiels du dispositif du type précité, destiné à la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention. Diverses autres caractéristiques et avantages du dispositif suivant l'invention ressortent de la description détaillée qui suit, faite en référence aux dessins annexés. La figure 1 représente, de manière très schématisée, une installation suivant l'invention dans une première forme de réalisation et la figure 2 représente, de manière très schématisée, une variante de réalisation de l'installation de la figure 1. Sur la figure 1, la référence 10 désigne la conduite d'arrivée d'une eau usée de filtrat du type précité L'eau usée est envoyée, par une pompe 12, dans une tuyauterie 14 le long de laquelle est monté un échangeur de chaleur 16 destiné à chauffer l'eau usée à une température de 800 Celsius au minimum, de préférence de 100 Celsius. L'eau usée chauffée parvient ensuite dans une station de dégazage 18 Le mélange de vapeur et de liquide est séparé ici, les gaz, qui sont principalement constitués de C 02 et NH 3, étant extraits à l'extrémité supérieure, par la conduite 20 et le liquide (environ 30 % de la quantité initiale), à l'extrémité inférieure, par la conduite 22. Ces deux conduites débouchent dans la tête 24 d'une colonne à garnissage 26 Le long de la conduite 22 se trouve encore un dispositif de dosage 28 par lequel on ajoute la lessive de soude, ainsi qu'un autre échangeur de chaleur 30 destiné à maintenir la température plus importante souhaitée (environ 100 Celsius). La colonne à garnissage 26 est alimentée en vapeur chaude, par une conduite 32 La vapeur chaude traverse, de bas en haut, la colonne 26 remplie des garnis- sages habituels. Le préchauffage du courant principal de l'eau usée, la station de dégazage 18 et l'autre chauffage qui se produit en 30 ont déjà donné lieu à une très importante décomposition du bicarbonate d'ammonium lorsqu'arrive la phase liquide dans la colonne à garnissage 26. Dans la colonne, il se produit un autre échange de matière intensif, ce qui fait que l'effluent 34 de la colonne à garnissage 26 ne contient pratiquement plus d'ammonium ni d'ammoniac et qu'il peut être envoyé, par exemple,à une installation d'épuration. La vapeur chaude ainsi que la quantité de gaz provenant de la station d'épuration 18 sont, ensuite, envoyées, par une conduite 36, dans un condensateur 38 en aval duquel est monté un échangeur de chaleur 40. Dans l'échangeur de chaleur 40 débouche en outre une conduite 42 par laquelle un courant partiel de l'eau usée séparé en 44 est envoyé dans l'échangeur de chaleur, afin de laver le bicarbonate d'ammonium formé sur les parois froides du refroidisseur 40. Celui-ci est extrait de l'échangeur de chaleur par une conduite 46 et renvoyé à la tête 24 de la colonne à garnissage 26 Sur ce parcours, on ajoute encore de la lessive de soude (par la conduite 48) au liquide recyclé, afin d'obtenir une meilleure séparation de NH 3 Il est à noter, ici,que ce courant partiel contient aussi une a partie de l'eau non traitée. Par une conduite de branchement 50, le dioxyde de carbone désorbé dans l'échangeur de chaleur 40 et dans la colonne 26 sort de l'unité à condensateur 38, 40 On extrait, dans ce cas, un brouillard qui contient, avant tout encore du bicarbonate d'ammonium non dissous Celui- ci est ensuite envoyé dans un absorbeur 52 L'aérosol traverse de bas en haut l'absorbeur 52 dans lequel a lieu une absorp- tion de bicarbonate d'ammoniun dans le liquide traversant le circuit Un échangeur de chaleur 54 sert à refroidir le liquide Par la conduite en circuit fermé, on obtient une concentration du bicarbonate d'ammonium La solution est ainsi concentrée jusqu'à un degré proche du degré de saturation Le concentrat est évacué par une conduite 56 de l'absorbeur 52 et la perte de liquide est compensée par une arrivée d'eau fraîche (conduite 58), le long de la conduite de recyclage 60 Une pompe 62 veille à faire circuler le liquide. Dans une autre étape (par exemple dans un réacteur ou dans une autre colonne à garnissage), il est possible de soumettre l'effluent à un traitement complémen- taire, à des températures supérieures Par addition de solutions aqueuses de bases fortes (par exemple lessive de soude), il est possible d'obtenir} comme produits, par exemple> du carbonate de calcium ou du carbonate de sodium et une eau forte avec par exemple une solution NH 4- OH de 15 à 20 pour cent. Si 4 comme produit finalon a besoin d'eau forte de grande qualité ou d'ammoniac, il est possible, par une légère modification de la conduite du procédé, par rapport à la forme de réalisation représentée sur la figure 1, de séparer du dioxyde de carbone gazeux dans une colonne 70 montée en amont (figure 2) Cette colonne est en deux parties Dans la partie supérieure 72 on envoie le gaz extrait de la station de dégazage 18 on obtient un refroidissement en envoyant un courant partiel d'eau usée dans cette zone, par la conduite 42. Le gaz provenant de la station de dégazage 18, après détente, et contenant, entre autres, du dioxyde de carbone excédentaire, n'est pas absorbé ici à cause de sa faible solubilité, mais extrait sous forme de gaz (conduite 74) et épuré par un filtre biologique 76, avant d'être envoyé dans l'atmosphère (figure 1). Un filtre biologique 76 similaire peut être placé aussi le long d'une conduite 68 par laquelle le dioxyde de carbone, extrait de l'absorbeur 52, est évacué. Dans la partie inférieure de la colonne 70 (figure 2) il se produit, à nouveau, une arrivée de vapeur chaude (conduite 78), ce qui conduit à une autre décomposi- tion thermique du bicarbonate d'ammonium. Le produit arrivant dans la colonne à garnis- sage 26, préchauffé à la température d'ébullition, est mélangé, à cet endroit, avec le produit de retour de l'unité à condensateur 38 ou 40 (comme dans l'exemple de réalisa- tion de la figure 1). Là aussi, il se produit, dans la colonne à garnissage 26, le strippage principal au cours duquel arrive, à contre-courant du liquide s'écoulant de haut en bas, la vapeur qui est ensuite précipitée dans le conden- sateur 38 ou l'échangeur de chaleur 40. La figure 2 illustre une autre différence par rapport à la figure 1, dans la zone de l'évacuation 34 de la colonne à garnissage 26 Le produit évacué, pratiquement exempt dfammonium, est envoyé par une pompe 80, à l'échan- geur de chaleur 60, pour que la capacité calorique du produit sortant soit ainsi exploitée pour préchauffer l'eau usée. Pour le reste, le dispositif de la figure 2 ainsi que le procédé de traitement mis en oeuvre avec ce dispositif correspondent pour l'essentiel à ceux de la figure 1. REVENDICATIONS 1 Procédé destiné à éliminer les composés d'ammonium contenus dans des eaux usées, en particulier les eaux de filtration provenant de boues biologiques, comportant les étapes suivantes: 1.1 l'eau usée est portée, sur son parcours menant à une colonne à garnissage, à une température d'au moins 950 Celsius et traverse ensuite un dispositif destiné à séparer une phase gazeuse constituée principalement de C 02 et de NH 3, de la phase liquide contenant encore des composés d'ammonium, 1.2 1 pendant que la phase liquide est envoyée à la tête de la colonne à garnissage et reçoit du bas de la. vapeur chaude, 1 2 2 la vapeur se formant dans la tête de la colonne à garnissage est envoyée, éventuellement avec la phase gazeuse préalablement séparée de l'eau usée, à un condensateur, 1.3 le condensat se formant dans le conden- sateur, contenant essentiellement du bicarbonate d'am- monium, est renvoyé dans la tête de la colonne à garnis- sage, après addition d'une base, 1.4 le bicarbonate d'ammonium extrait du condensateur sous la forme d'un nuage, est ensuite lavé dans un absorbeur, dans un circuit de liquide, 1.5 le bicarbonate d'ammonium prélevé de l'absorbeur est ensuite éliminé et 1.6 l'effluent prélevé de la colonne à garnissage, pratiquement exempt de composés d'ammonium, est envoyé vers une installation d'épuration ou similaire. 2 Procédé selon la revendication 1 dans lequel il est ajouté une base à la phase liquide, avant son introduction dans la colonne à garnissage. 3 Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 et 2, dans lequel on ajoute, comme base, de la lessive de soude. 4 Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 3 dans lequel la base est ajoutée dans une quantité telle qu'elle conduit à la transformation stoechiométrique des composés d'ammonium en carbonate de sodium et en ammoniac. Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 4 dans lequel une partie du courant de l'eau usée est séparée avant d'être chauffée et directement envoyée dans le condensateur. 6 Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 5, dans lequel l'eau usée et/ou la phase liquide est chauffée à la température d'ébullition avant d'être introduite dans la colonne à garnissage. 7 Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 6 dans lequel le dioxyde de carbone désorbé dans l'absorbeur subit une épuration complémentaire dans un filtre, avant d'être envoyé dans l'atmosphère. 8 Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 7 dans lequel la solution de bicarbonate d'ammonium contenue dans l'absorbeur est concentrée à travers un circuit jusqu'à un degré proche du degré de saturation et la perte de liquide est compensée par prélèvement du concentrat, avec un apport d'eau fraîche correspondant. 9 Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 8 dans lequel il est monté en amont de la colonne à garnissage une colonne en deux parties, la phase liquide étant envoyée dans une partie de la colonne et recevant de la vapeur chaude à contrecourant, tandis que la phase gazeuse est envoyée dans l'autre partie et mise en contact, à cet endroit, avec un liquide de refroidissement, le dioxyde de carbone libéré étant extrait et la phase liquide étant ensuite envoyée à la colonne à garnissage. 10 Procédé selon la revendication 9 dans lequel on utilise, comme liquide de refroidissement, une partie du courant de l'eau usée non traitée. Il Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, comportant 11 1 au moins une colonne à garnissage ( 26, 70) en amont de laquelle 11.2 il est monté au moins un échangeur de chaleur ( 16, 30) et 11.3 un dispositif 18 pour séparer la phase gazeuse de la phase liquide, ainsi que, 11.4 en aval de la colonne à garnissage ( 26, ), un condensateur ( 38, 40) auquel 11.5 fait suite un absorbeur ( 52) et duquel 11.6 part une conduite de retour ( 46) vers la colonne à garnissage ( 26), 11.7 les composants étant reliés entre eux par des tuyauteries ( 14, 20, 28, 36, 42, 50). 12 Dispositif selon la revendication 11 dans lequel un échangeur de chaleur ( 40) est monté en aval du condensateur ( 38). 13 Dispositif selon l'une quelconque des revendications Il et 12 dans lequel l'absorbeur comporte une conduite de retour ( 60) pour un recyclage au moins partiel du liquide traversant l'absorbeur ( 52). 14 Dispositif selon la revendication 13, dans lequel une conduite d'arrivée d'eau fraîche ( 58) débouche dans la conduite de retour ( 60).