Brevet FR2691453A1 — publié le 19931126

PROCEDE DE REDUCTION DU VOLUME DES BOUES CONTAMINEES PAR DES METAUX ET INSTALLATION DE TRAITEMENT DES EAUX USEES PERMETTANT LA REALISATION DE CE PROCEDE DESCRIPTION La présente invention concerne un procédé de réduction du volume des boues contaminées par des métaux, destiné notamment à être appliqué lors du traitement des eaux usées, ainsi que l'installation de traitement des eaux usées permettant la réalisation de ce procédé. De nombreuses stations d'épuration ont été installées en différents points du réseau hydrographique, afin de traiter les eaux usées provenant notamment des habitations ou rejetées par différentes industries. Ces eaux usées comprennent une partie liquide et une partie solide appelée boue, cette dernière renfermant notamment de la terre, du sable, des déchets, des morceaux de bois, des débris et des micro-organismes. En outre, ces boues sont fréquemment polluées par la présence de métaux et notamment de métaux lourds. A la sortie de la station d'épuration, il est impératif que ces métaux ou les boues les contenant ne soient pas rejetés dans la nature de façon non contrôlée. La figure 1 jointe illustre les différentes étapes d'un procédé de traitement classique d'épuration biologique et l'installation permettant la réalisation de ce procédé. Les eaux usées 1 arrivent dans un dispositif 3 d'élimination des débris grossiers 5 dont la taille est supérieure à environ 1 mm. Ce dispositif 3 se subdivise en un dispositif de préfiltration 7 constitué par un tamis ou une grille dont les mailles sont de dimensions choisies pour permettre l'élimination des débris solides, et par un dispositif de dessablement 9 constitué généralement par un dispositif de décantation. En outre, et bien que cela ne soit pas représenté en figure 1, le dispositif 3 peut comprendre un dispositif d'élimination des huiles, dans lequel on écope les huiles surnageant à la surface des eaux usées. L'effluent sortant du dispositif 3, dénommé ci-après premier effluent et référencé 11, subit alors une étape de décantation dans un décanteur primaire 13. Ce décanteur primaire 13 permet de séparer d'un côté les matières se trouvant en suspension ~dans le premier effluent 11 et dénommées ci-après boues primaires 15 et d'un autre côté le surnageant 17, évacué sous forme d'un effluent dénommé ci-après deuxième effluent 19. Ce deuxième effluent 19 est évacué par l'intermédiaire d'une canalisation, en direction d'un épurateur biologique 21. Cet épurateur 21 est constitué par un bac recueillant le deuxième effluent 19 et les boues se trouvant encore en suspension à l'intérieur de celui-ci. Ce bac est équipé de dispositifs de brassage mécanique ou de brassage par injection de de gaz et il permet de cultiver les micro-organismes se trouvant également à l'intérieur du deuxième effluent 19. Cette culture peut se réaliser en mode aérobie ou anaréobie. Les micro-organismes présents dans cet épurateur biologique transforment les matières organiques en bio-masse et en gaz. Les boues, récupérées à la sortie de cet épurateur biologique 21 et dont le volume a augmenté du fait de l'augmentation de la bio-masse, sont alors dirigées vers un décanteur secondaire 23 dont la structure est voisine de celle du décanteur primaire 13. Au cours de cette étape de décantation, on sépare l'effluent clarifié 25, des boues, dites boues secondaires 27. L'effluent 25 est rejeté sous forme d'effluent traité dans le milieu naturel, par exemple dans une rivière. Avant de rejeter cet effluent 25 dans le milieu naturel, il est toutefois possible de lui faire subir un traitement tertiaire complémentaire. Une partie des boues secondaires 27 est recyclée par une canalisation 29 à l'intérieur de l'épurateur biologique 21. L'autre partie des boues secondaires 27 dite boues secondaires en excès 31 (ou reste des boues secondaires) est dirigée par une canalisation vers un dispositif de stabilisation des boues 33. Les boues secondaires en excès 31 renferment en effet des matières organiques très putrescibles qu'il convient de stabiliser. Cette étape de stabilisation 33 des boues, suivant qu'elle est réalisée en milieu anaérobie ou aérobie, permet respectivement d'effectuer une réduction ou une oxydation des métaux ou composés métalliques adsorbés sur les boues. Les boues stabilisées 35 sont évacuées par une canalisation en direction d'un dispositif d'épaississement des boues 37. Ce dispositif 37 permet de réaliser un épaississement des boues par élimination d'un exsudat évacué en 39. Une fois cet exsudat liquide éliminé, les boues se présentent en effet sous forme de boues traitées 41 plus solides et qui, après séchage, peuvent être pelletées, c'est-à-dire éliminées par des pelles mécaniques, par exemple et chargées dans des conteneurs. Ce séchage, non représenté en figure 1, peut être effectué sur des filtres divers ou par centrifugation. L'exsudat liquide 39 est recyclé à l'entrée de l'épurateur biologique 21. Enfin, les boues primaires 15 issues du décanteur primaire 13 sont également soumises au traitement de stabilisation puis d'épaississement respectivement dans les dispositifs 33 et 37. Les boues traitées 41 obtenues selon ce procédé présentent malheureusement une forte concentration en métaux polluants, cette teneur en métaux étant souvent trop élevée pour que ces boues puissent être replacées dans le milieu naturel, en servant par exemple d'épandage agricole. En effet, on a constaté que tandis que les effluents traités 25 contiennent environ moins de 10 % de la teneur initiale en métaux, les boues traitées 41 en contiennent plus de 90 %. En outre, on a découvert que les micro-organismes présents dans la circulation de liquide, et notamment dans l'épurateur biologique 21 pouvaient accumuler dans leurs parois cellulaires, une grande quantité de métaux. Ces micro-organismes ont donc un rôle de décontamination. Ainsi, on sait que les métaux lourds, toxiques et fortement répandus dans l'environnement, comme le cadmium par exemple, peuvent être adsorbés sur les parois des micro-organismes de la souche de Pseudomonas putrida. Dans le dispositif selon l'art antérieur, les boues primaires 15 riches en métaux ne viennent jamais au contact des micro-organismes se trouvant dans l'épurateur biologique 21, ce qui explique la forte quantité de métaux polluants à l'intérieur des boues 41. L'invention est basée sur cette découverte et a pour but de remédier aux inconvénients précités, en réalisant un procédé et un dispositif utilisant ces propriétés de décontamination. Le but de l'invention est de réaliser un procédé permettant après traitement des eaux usées, d'obtenir des boues dont la plus grande proportion contient peu de métaux et dont la proportion contenant les métaux polluants représente un faible volume. A cet effet, l'invention concerne un procédé de réduction du volume des boues contaminées par des métaux, destiné à être appliqué lors du traitement des eaux usées. Selon les caractéristiques de l'invention, ce procédé comprend les étapes consistant à - éliminer les solides grossiers desdites eaux usées, afin d'obtenir un premier effluent chargé en boues, - effectuer une décantation primaire de ce premier effluent à l'intérieur d'un décanteur primaire, afin d'obtenir d'une part des boues primaires et d'autre part un deuxième effluent, - effectuer une étape de stabilisation puis d'épaississement de ces boues primaires, - effectuer une épuration biologique de ce deuxième effluent à l'intérieur d'un épurateur biologique, - effectuer ensuite une décantation secondaire à la sortie de l'épurateur biologique, afin d'obtenir d'une part, un effluent traité qu'il est possible d'évacuer vers le milieu extérieur, et d'autre part des boues secondaires, - effectuer un recyclage d'une partie de ces boues secondaires à l'intérieur de l'épurateur biologique, - effectuer une étape de stabilisation, puis d'épaississement du reste des boues secondaires afin d'obtenir des boues traitées réutilisables, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes supplémentaires consistant à : - recycler l'exsudat obtenu à la suite de l'étape d'épaississement des boues primaires, riches en métaux, vers un réacteur, - récupérer une fraction du reste des boues secondaires riches en micro-organismes, afin de les recycler vers le réacteur pour que les métaux présents à l'intérieur de celui-ci se fixent sur les parois cellulaires desdits micro-organismes, - recycler l'effluent clarifié issu du réacteur vers l'épurateur biologique, - effectuer une étape de stabilisation, puis d'épaississement des boues issues du réacteur, afin d'obtenir des boues non réutilisables à forte concentration en métaux polluants, les boues traitées réutilisables obtenues en fin de cycle présentant par contre une faible concentration en métaux polluants. Grâce à ces caractéristiques de l'invention, on peut mettre en contact simultanément à l'intérieur d'un réacteur, d'une part les exsudats obtenus après l'épaississement des boues primaires qui sont riches en métaux et, d'autre part une fraction des boues secondaires qui sont au contraire riches en micro-organismes. L'extraction des métaux en solution par l'adsorption sur les parois des micro-organismes suit une cinétique très rapide et se déroule en quelques secondes à quelques minutes. Ceci représente le mécanisme majoritaire de l'extraction. En conséquence, l'extraction des métaux ne nécessite qu'un temps de contact avec les micro-organismes très faible et peut également être assurée par une faible quantité de boues à forte teneur en micro-organismes. Le procédé est donc facile à mettre en oeuvre, puisqu'il ne nécessite que des modifications mineures et relativement peu coûteuses d'une station d'épuration classique. D'autre part, ce traitement peut être effectué rapidement. Au contraire, dans l'art antérieur, il ne se produisait qu'une faible absorption des métaux à l'intérieur des boues primaires, puisque celles-ci retiennent très peu de micro-organismes. Selon une première variante de réalisation de l'invention, le réacteur est constitué par le décan teur primaire et le deuxième effluent et l'effluent du réacteur sont confondus. Cette variante est la plus facile à adapter à une station d'épuration existante, puisqu'elle ne nécessite que l'installation de canalisations supplémentaires. Elle nécessite cependant une vitesse ascensionnelle dans le décanteur primaire relativement faible. Selon un second mode de réalisation de l'invention, le réacteur est distinct du décanteur primaire et le deuxième effluent du décanteur primaire est envoyé dans le réacteur. Cette variante est un peu plus complexe et coûteuse à installer et permet en revanche d'avoir un réacteur plus performant constitué par exemple par un dispositif mélangeur/séparateur. Un mélangeur/séparateur assure le mélange de deux constituants, grâce à un générateur de turbulence, pendant un certain temps de contact, en fonction de la cinétique de la réaction, ici une dizaine de minutes. I1 comprend également un dispositif de séparation qui peut être un décanteur, une centrifugeuse ou un dispositif de filtration frontale ou tangentielle. De préférence, la fraction du reste des boues secondaires recyclée dans le réacteur correspond à environ 10 % des boues secondaires totales obtenues à la sortie du décanteur secondaire. Une très faible quantité des boues secondaires suffit à permettre la réaction de fixation des métaux sur les micro-organismes se déroulant dans les réacteurs, et en conséquence une grande partie des boues secondaires peut être recyclée dans l'épurateur biologique, afin d'alimenter celui-ci en permanence. Enfin, les boues traitées réutilisables constituent environ 80 à 90 % des boues totales obtenues en fin du procédé et les boues non réutilisables constituent environ 20 à 10 % de ces boues totales. L'invention concerne également une installation de traitement des eaux usées comprenant - un dispositif d'élimination des débris grossiers recevant lesdites eaux usées, - un décanteur primaire recevant le premier effluent issu du dispositif d'élimination des débris grossiers, ce décanteur primaire permettant d'obtenir des boues primaires et un deuxième effluent, - un épurateur biologique recevant ce deuxième effluent, - un décanteur secondaire relié à cet épurateur et permettant d'obtenir, un effluent clarifié et des boues secondaires dont une partie est recyclée dans l'épurateur biologique, - un dispositif de stabilisation du reste desdites boues secondaires relié à un dispositif d'épaississement des boues, ce dernier dispositif permettant d'obtenir des boues traitées réutilisables. Selon les caractéristiques de l'invention, cette installation comprend en outre un réacteur recevant une fraction du reste des boues secondaires riches en micro-organismes ainsi que les boues primaires riches en métaux La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante de deux modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples illustratifs et non limitatifs, cette description étant faite en faisant référence aux dessins joints dans lesquels - la figure 1 illustre l'installation et la série d'étapes du procédé de traitement des eaux usées selon l'art antérieur, - les figures 2 et 3 illustrent respectivement deux variantes de réalisation de l'installation de traitement selon l'invention et les différentes étapes du procédé de réduction du volume des boues contaminées. La figure 2 illustre un premier mode de réalisation de l'invention et, plus précisément, les différentes parties de l'installation permettant de réaliser le procédé selon l'invention et destinées à être adaptées dans une station d'épuration existante A cet effet, tous les éléments communs entre ce mode de réalisation et celui de l'art antérieur qui a été précédemment décrit en figure 1 ont conservé les mêmes références majorées du signe prime. Au contraire, les éléments nouveaux portent des références supérieures à 50. Une différence importante existant entre le dispositif de la figure 2 et celui de la figure 1 est que le décanteur primaire 13' joue le rôle d'un réacteur, qui à des fins de clarification, a été schématisé de façon différente et référencé 50. Dans la pratique toutefois, ce réacteur 50 est confondu avec le décanteur primaire 13'. A l'intérieur de ce réacteur 50, les micro-organismes fixent les métaux sur leurs parois cellulaires. Les boues primaires 15' traversent successivement un dispositif de stabilisation des boues 52, puis un dispositif d'épaissisement des boues 54 qui ont la même structure et le même rôle que les dispositifs correspondants 33' et 37' dont le rôle a déjà été expliqué lors de la description de l'art antérieur. L'exsudat 56 liquide obtenu à la suite de l'étape d'épaississement des boues primaires, présentant une concentration élevée en métaux, est recyclé vers le réacteur 50. En outre, une fraction 58 du reste des boues secondaires 31', présentant une forte concentration en micro-organismes est également recyclée vers ce réacteur 50, de façon que la réaction précitée entre les métaux et les micro-organismes se produise. L'effluent clarifié 60 du réacteur 50 est, dans le cas présent, confondu avec le deuxième effluent 19' et il est mené vers l'épurateur biologique 21'. Ensuite, le cycle de traitement passant par la décantation secondaire et par les étapes de stabilisation et d'épaississement des boues secondaires, (réalisées respectivement dans les dispositifs 33' et 37'), se déroule conformément à ce qui a été décrit pour l'art antérieur. Toutefois, on notera que les boues traitées réutilisables 41' obtenues en fin de cycle présentent une très faible concentration en métaux polluants, et représentent par contre la majeure partie du volume des boues totales obtenues. Ce volume est généralement compris entre 80 et 90 % des boues totales. Par ailleurs, on obtient à la sortie du dispositif d'épaississement des boues primaires 54, des boues polluées 62 non réutilisables, à très forte concentration en métaux, mais représentant par contre seulement environ 10 à 20 % du volume total des boues obtenues. On notera que le dispositif de stabilisation des boues primaires 52 et le dispositif d'épaississement des boues primaires 54 sont distincts des dispositifs de stabilisation des boues secondaires 33' et d'épaississement des boues secondaires 37'. On recycle également l'exsudat liquide 64 obtenu à la sortie du dispositif d'épaississement secondaire des boues 37' vers le réacteur 50. La figure 3 illustre un second mode de réalisation de l'invention, où là encore, les éléments communs entre cette station d'épuration et la station d'épuration de l'art antérieur illustrée en figure 1 portent les mêmes références majorées du signe prime. Les nouveaux éléments portent des références supérieures à 70. Dans ce mode de réalisation, le réacteur 70 est distinct du décanteur primaire 13'. En conséquence, le deuxième effluent issu du décanteur primaire 13' et qui portait initialement la référence 19' est envoyé vers ce réacteur 70 et porte alors la référence 72. Ce réacteur 70 est généralement un dispositif mélangeur/séparateur. Les boues primaires 15' issues du décanteur primaire 13' sont envoyées par une canalisation 74 en direction du dispositif de stabilisation des boues secondaires 33' où elles rejoignent ensuite le dispositif d'épaississement des boues secondaires 37'. L'exsudat liquide 76 issu du dispositif d'épaississement des boues secondaires 37', est recyclé vers le réacteur 70. Par ailleurs, une fraction 78 du reste des boues secondaires 31', (représentant environ 10% de celles-ci) et riche en micro-organismes, est recyclée vers le réacteur 70. La même réaction de fixation des métaux par les micro-organismes a lieu dans ce réacteur. Les boues issues du réacteur 70 sont évacuées en 80, en direction d'un dispositif de stabilisation 82 des boues relié à un dispositif d'épaississement 84 des boues. Ces deux dispositifs 82 et 84 sont distincts des dispositifs 33' et 371. On obtient à la sortie du dispositif d'épaississement 84 des boues, des boues 86 polluées non réutilisables. L'exsudat liquide 88 obtenu du dispositif d'épaissisement 84 des boues, est recyclé vers le réacteur 70. Enfin, l'effluent clarifié 90 issu du réacteur est recyclé dans i'épurateur biologique 21'. Les proportions respectives des boues non réutilisables 86 et réutilisables 411 obtenues selon ce second mode de réalisation sont identiques aux proportions respectives des boues 62 et 41' obtenues dans le premier mode de réalisation. Dans les deux modes de réalisation qui viennent d'être décrits, on retiendra que lorsque le réacteur et le décanteur primaire sont confondus (figure 2), le traitement des boues primaires 15' s'effectue dans un dispositif 52, 54 distinct du dispositif 33', 37' de traitement des boues secondaires et qu'inversement lorsque le réacteur et le décanteur sont distincts (figure 3), le traitement des boues primaires 15' et secondaires 27' s'effectue dans le même dispositif 33', 37'. Toutefois, il serait également possible d'avoir un réacteur et un décanteur distincts (voir figure 3) et le traitement séparés des boues primaires et secondaires (voir figure 2). Par ailleurs, le dispositif de traitement (stabilisation et d'épaississement) des boues issues du réacteur peut comme en figure 2 être confondu avec le dispositif de traitement 52, 54 des boues primaires mais pourrait également être distinct de celui-ci. Ainsi, on pourrait avoir trois dispositifs de stabilisation et d'épaississement, un premier pour les boues primaires, un deuxième pour les boues secondaires et un troisième pour les boues sortant du réacteur. REVENDICATIONS 1. Procédé de réduction du volume des boues contaminées par des métaux, destiné à être appliqué lors du traitement des eaux usées, comprenant les étapes consistant à - éliminer les solides grossiers (5') desdites eaux usées (1'), afin d'obtenir un premier effluent (11') chargé en boues, - effectuer une décantation primaire de ce premier effluent (11') à l'intérieur d'un décanteur primaire (13'), afin d'obtenir d'une part des boues primaires (15') et, d'autre part un deuxième effluent (19', 60, 72), - effectuer une étape de stabilisation puis d'épaississement de ces boues primaires (15'), - effectuer une épuration biologique de ce deuxième effluent à l'intérieur d'un épurateur biologique (21'), - effectuer ensuite une décantation secondaire (23') à la sortie de l'épurateur biologique (21'), afin d'obtenir d'une part, un effluent traité (25') qu'il est possible d'évacuer dans le milieu extérieur et d'autre part des boues secondaires (27'), - effectuer un recyclage d'une partie (29') de ces boues secondaires (27') à l'intérieur de l'épurateur biologique (21'), - effectuer une étape de stabilisation (33'), puis d'épaississement (37') du reste (31') des boues secondaires, afin d'obtenir des boues traitées réutilisables (41'), ce procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes supplémentaires consistant à : - recycler l'exsudat (56, 76) obtenu à la suite de l'étape d'épaississement des boues primaires (15'), riches en métaux, vers un réacteur (50, 70), - récupérer une fraction (58, 78) du reste (31') des boues secondaires, riches en micro-organismes afin de les recycler vers le réacteur (50, 70) pour que les métaux qui sont présents à l'intérieur de celui-ci se fixent sur les parois cellulaires desdits micro-organismes, - recycler l'effluent clarifié (60, 90) du réacteur vers l'épurateur biologique (21'), - effectuer une étape de stabilisation (52, 82), puis d'épaississement (54, 84) des boues issues du réacteur (50, 70), afin d'obtenir des boues (62, 86) non réutilisables à forte concentration en métaux polluants, les boues traitées réutilisables (41') obtenues en fin de cycle présentant une faible concentration en métaux polluants. 2. Procédé de réduction du volume des boues selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réacteur (50) est constitué par le décanteur primaire (13') et en ce que le deuxième effluent (19') et l'effluent (60) du réacteur sont confondus. 3. Procédé de réduction du volume des boues selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réacteur (70) est distinct du décanteur primaire (13') et en ce que le deuxième effluent (72) du décanteur primaire (13') est envoyé dans le réacteur (70). 4. Procédé de réduction du volume des boues selon la revendication 3, caractérisé en ce que le réacteur (70) est un dispositif mélangeur/séparateur. 5. Procédé de réduction du volume des boues selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce qu'on réalise l'étape de stabilisation puis d'épaississement des boues primaires (15') dans un deuxième dispositif de stabilisation (52) et un deuxième dispositif d'épaississement (54) des boues, distincts des dispositifs de stabilisation (33') et d'épaississement (37') des boues secondaires (27'). 6. Procédé de réduction du volume des boues selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on réalise l'étape de stabilisation puis d'épaississement des boues primaires (15') dans les dispositifs de stabilisation (33') et d'épaississement (37') des boues secondaires (27'). 7. Procédé de réduction du volume des boues selon les revendications 3 et 6, caractérisé en ce qu'on réalise l'étape de stabilisation puis d'épaississement des boues issues du réacteur (70) dans des dispositifs de stabilisation (82) et d'épaississement (84) distincts des dispositifs de stabilisation (33') et d'épaississement (37') des boues secondaires et primaires et en ce que l'on recycle l'exsudat (88) obtenu après cette étape d'épaississement dans le réacteur (70). 8. Procédé de réduction du volume des boues selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on recycle l'exsudat liquide (64, 76) issu du dispositif d'épaississement secondaire (37') vers le réacteur (50, 70). 9. Procédé de réduction du volume des boues selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fraction (58, 78) du reste des boues (31') secondaires recyclée dans le réacteur (50, 70) correspond à environ 10 % des boues secondaires totales (27') obtenues à la sortie du décanteur secondaire (23'). 10. Procédé de réduction du volume des boues selon la revendication 1, caractérisé en ce que les boues traitées réutilisables (41') constituent environ 80 à 90 % des boues obtenues en fin du procédé et les boues non réutilisables (62, 86) environ 20 à 10 % de ces boues obtenues en fin de procédé. 11. Installation de traitement des eaux usées comprenant - un dispositif d'élimination des débris grossiers (3') recevant lesdites eaux usées (1'), - un décanteur primaire (13') recevant le premier effluent (11') issu du dispositif d'élimination (3') des débris grossiers, ce décanteur primaire (13') permettant d'obtenir des boues primaires (15') et un deuxième effluent (19'), - un épurateur biologique (21') recevant ce deuxième effluent (19'), - un décanteur secondaire (23') relié à cet épurateur (21') et permettant d'obtenir, un effluent clarifié (25') et des boues secondaires (27') dont une partie (29') est recyclée dans l'épurateur biologique (21'), - un dispositif de stabilisation (33') du reste (31') desdites boues secondaires (27') relié à un dispositif d'épaississement (37') des boues, ce dernier dispositif permettant d'obtenir des boues traitées réutilisables (41'), installation caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un réacteur (50, 70) recevant une fraction (58, 78) du reste (31') des boues secondaires riches en micro-organismes ainsi que les boues primaires (15') riches en métaux. 12. Installation de traitement des eaux usées selon la revendication 11, caractérisée en ce que le réacteur (50) est confondu avec le décanteur primaire (13'). 13. Installation de traitement des eaux usées selon la revendication 11, caractérisé en ce que le réacteur (70) est distinct du décanteur primaire (13') et est constitué par un mélangeur/séparateur. 14. Installation de traitement des eaux usées selon l'une des revendications 11 à 13, caractérisée en ce qu'elle comprend - un dispositif de stabilisation (52, 82) des boues issues du réacteur (50, 80), - un dispositif d'épaississement (54, 84) des boues relié au dispositif de stabilisation (52, 82), et - une canalisation permettant d'évacuer l'exsudat liquide (56, 88) issu du dispositif d'épaississement (54, 84), vers le réacteur (50, 80).