Brevet FR2800060A1 — publié le 20010427

La présente invention a pour objet un procédé de traitement des boues de stations d'épuration, ainsi qu'un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. L'état de la technique du traitement des boues de stations d'épuration, tel que connu à ce jour, se répartit en trois groupes dont le groupe des techniques biologiques, le groupe des techniques physiques, et le groupe des techniques chimiques, un mixage de ces techniques étant souvent réalisé pour améliorer les performances. Les principaux objectifs de ces traitements sont la stabilisation et l'hygiénisation des boues, l'élimination des odeurs, la valorisation ou la destruction, la réduction des volumes et des masses. La technique biologique comprend les procédés de stabilisation aérobie thermophile, les procédés de digestion anaérobie mésophile, la finalité étant un objectif d'évacuation par épandage sur terrains agricoles, avec ou sans compos tage associé. La technique physique comprend les procédés de pressage et centrifugation, lesquels sont associés avec un procédé d'hygiénisation lorsque le sous-produit résultant en induit la nécessité. La technique chimique comprend les procédés de chaulage et les procédés de stabilisation aux sels de nitrite. Les sous-produits issus des techniques ci-avant citées sont, soit valorisés vers des filières agricoles, soit stockés en centre d'enfouissement technique, soit éliminés par incinération. L'élimination des odeurs, bien que parfaitement maîtrisée au stade du laboratoire de chimie, est difficile à mettre en place lorsque la valorisation des sous produits est orientée vers les filières agricoles. La valorisation agricole est actuellement remise en question car aucune des techniques ci-avant citées ne peut assurer une stérilisation totale des sous produits résultants, ce qui implique que la persistance de micro-organismes pathogènes dans lesdits sous-produits présente un danger pour l'homme et les animaux. En particulier, il a été constaté la persistance au delà de 6 mois pour l'entérobactérie Salmonella, la listéria, les mycobactéries, les bactéries butyriques (contaminant du fourrage), et au delà de 3 ans pour les parasites taenia et ascaris ; douves et coccidies sont également présentes. De plus, il apparaît que les métaux lourds présents en lesdits sous-produits induisent un risque d'accumulation dans les sols et le législateur s'en est soucié en codifiant la limite d'apport de ces métaux lourds dans les sols. Les opérateurs de l'industrie agro-alimentaire se sont également préoccupés de cette situation en établissant des conditions de sol, voire en interdisant totalement la production de légumes ou de viande sur les terres amendées par des boues de station d'épuration. Le stockage en centre d'enfouissement technique implique une concentration optimale des matières sèches pour réduire les frais de transport et réduire les volumes. Cette concentration par des moyens de séchage ou de déshydratation induit une charge financière qui vient s'ajouter aux coûts de mise en stock. Le stockage en ces centres d'enfouissement n'exclut pas des risques de pollution de la nappe phréatique ou de contamination des eaux de surface. L'élimination par incinération génère des cendres chargées en métaux lourds ainsi que des fumées composées de C02 mais aussi de NOx et dioxines. De plus, cette élimination par incinération induit une charge financière qui vient s'ajouter aux coûts de concentration et de transport. Le procédé et le dispositif selon la présente invention sont une contribution alternative au traitement des boues de stations d'épuration dans un objectif de développement durable en vue de préserver la sécurité sanitaire des hommes et des animaux. Le produit obtenu par la mise en oeuvre du procédé et du dispositif est également une contribution alternative aux moyens de traitement de l'eau, de l'air, des gaz et des fumées. Le procédé et le dispositif sont également étendus au traitement des boues industrielles et effluents liquides divers non radioactifs. Selon la présente invention, le procédé est caractérisé par une combinaison de moyens physiques et chimiques par laquelle on injecte une boue pompable issue d'un système de décantation ou de centrifugation à température ambiante, laquelle boue contient de préférence au moins 5% de matières organiques, dans une masse de particules d'oxyde de calcium dont la granulométrie est inférieure à 5 mm, laquelle masse de particules d'oxyde de calcium a été préalablement chauffée à une température comprise entre 250 C et 650 C au moyen d'un échangeur thermique à conduction indirecte intégrant un système de fluide caloporteur chauffé par la chaleur de réaction exothermique de l'eau contenue dans la boue avec l'oxyde de calcium, l'amorçage du procédé étant réalisé par un préchauffage du fluide caloporteur par tout moyen compatible connu. Le procédé est également caractérisé en ce que la quantité de boue injectée dans la masse de particules d'oxyde de calcium est calculée sur le rapport stoechiométrique résultant de la réaction CaO + H20 = Ca (0H)2 (chaux éteinte) pour obtenir entre une fois et demi et dix fois ce rapport, en fonction du rendement de l'échangeur et du fluide caloporteur. Le procédé est également caractérisé en ce que l'excédent d'eau au delà du rapport stoechiométrique est vaporisé par échange thermique direct entre l'eau et les particules d'oxyde de calcium chaud. Avantageusement cette vapeur d'eau sera condensée par tout moyen connu en vue de sa restitution au réseau naturel ou tout autre réseau incorporé. Le procédé selon l'invention est également caractérisé en ce que la réaction exothermique générée par le mélange CaO + H20 est conduite dans une enceinte permettant l'échappement de la vapeur d'eau tout en maintenant une pression interne comprise de préférence entre 1000 et 10 000 Pa, la dite pression devant être compatible avec les dispositifs mécaniques conditionnant l'entrée de la chaux vive CaO dans la dite enceinte et la sortie de la chaux éteinte Ca (0H)2 de cette même enceinte. Le procédé est également caractérisé en ce que la réaction exothermique est générée par le mélange CaO + vapeur d'eau et que cette réaction est conduite sous pression en maintenant une agitation constante des particules d'oxyde de calcium, agitation obtenue par un moyen mécanique associé à l'échan geur, afin d'obtenir une combinaison optimale entre la périphérie des dites particules et la vapeur d'eau, ladite combinaison produisant un accroissement de la surface spécifique des particules de chaux éteinte. Le procédé est également caractérisé en ce que les matières organiques contenues dans la boue subissent une pyrolyse par conduction thermique directe avec les particules de CaO, laquelle pyrolyse détruit tous les organismes pathogènes contenus dans la dite boue. Ladite pyrolyse provoquant le craquage thermique des matières organiques et induit une réaction exothermique additionnelle pour le chauffage du fluide caloporteur. Le procédé est également caractérisé en ce que la pyrolyse des matières organiques sous pression et en présence de vapeur d'eau génère un carbone amorphe poreux qui contribue à donner des caractéristiques de grandes porosité et surface spécifique BET à l'ensemble du mélange chaux éteinte + carbone ainsi obtenu. Les qualités absorbantes et adsorbantes du dit mélange seront utilement exploitées dans les procédés de traitement de l'eau, de l'air, des gaz, et des fumées. Selon une variante de la présente invention, le procédé est également caractérisé en ce que le mélange chaux éteinte + carbone est introduit par tout moyen connu mais à l'abri de l'air et à une température comprise entre 300 et 350 C dans un réacteur constitué d'un second échangeur thermique à conduction indirecte et à circulation de fluide caloporteur, les particules du dit mélange étant maintenues en agitation continue par un moyen mécanique associé à l'échangeur, que dans le dit mélange agité et dans l'échangeur il est injecté de l'oxygène gazeux sous une pression réglée entre 500 et 1000 Pa aux fins d'obtenir une combustion stoechiomé trique du carbone et des gaz de pyrolyse, laquelle combustion engendre une élévation de température du mélange au dessus de 580 C, laquelle température dissocie la chaux éteinte Ca (0H)2 pour la transformer en chaux vive CaO avec dégagement de vapeur d'eau et C02, étant ici expressément précisé qu'il n'est pas injecté d'air pour éviter la formation des NOx. Selon ladite variante de la présente invention, le procédé est également caractérisé en ce que la chaux vive ainsi obtenue est introduite par tout moyen connu, mais à l'abri de l'air, dans le premier échangeur afin de recommencer un cycle de traitement de boue comme décrit précédemment. Le procédé selon l'invention sera mieux compris en référence à la figure 1 par laquelle est schématisé un dispositif par combinaison de moyens connus permettant sa mise en oeuvre, ledit dispositif constituant un autre objet de la présente invention. Il y est représenté en 1 l'échangeur thermique, lequel est constitué d'une double enveloppe 2 et d'une vis 3 à spires creuses, la vis est animée en rotation par un système motovariateur ou motoréducteur non représenté, le fluide caloporteur véhiculé par un réseau 4 circule sous pression dans la vis creuse 3 et dans la double enveloppe grâce à la pompe 6, un réservoir tampon 5 assure le maintien thermique du fluide, le fluide réchauffeur 7 permet la mise en température pour l'amorçage du procédé, la chaux vive CaO est introduite dans l'échangeur 1 au moyen d'un système d'introduction 8 connu avec régulateur de débit 9 associé à un système anti retour connu, l'agitation de la chaux est obtenue au moyen de palettes 10 fixées sur les spires creuses de la vis 3, la boue est injectée par système connu dans l'échangeur au moyen des injecteurs 11, la vapeur de réaction est évacuée par la tubulure 12, la chaux éteinte et le carbone de réaction sont évacués par le conduit 13 lequel est complété par un système connu d'anti retour 14, la vapeur est condensée dans un condenseur 15 équipé d'un dispositif d'aspersion 16 alimenté en eau froide, et faisant également office de régulateur de pression réglable pour maintenir la pression dans l'échangeur 1, l'ensemble du dispositif étant construit, mécanisé, calorifugé, instrumenté et automatisé par les moyens industriels à la portée de l'homme de l'art. La variante du procédé mentionnée précédemment sera mieux comprise en référence à la figure 2 par laquelle est schématisé un dispositif par combinaison de moyens connus permettant sa mise en oeuvre, ledit dispositif constituant un autre objet de la présente invention. II est représenté en 1 l'échangeur thermique déjà décrit en figure 1, la chaux éteinte et le carbone de réaction sont évacués par un système d'extraction 20 à une température comprise entre 300 et 350 C et transférés par un système de convoyage 21 pour être introduits dans le réacteur 22 par un système d'injection 23. De même que l'échangeur 1, le réacteur 22 est constitué d'une enceinte avec double enveloppe et d'une vis à spires creuses. Un réseau 4' véhicule le fluide caloporteur dans les doubles parois et les vis creuses de l'échangeur 1 et du réacteur 22. L'oxygène gazeux est injecté par un système d'insufflation 24 à une pression comprise entre 500 et 1000 Pa et avec un débit régulé en proportion stoechiométrique sur la teneur en carbone du mélange Ca(OH)2 + C. Le système d'insufflation 24 est construit avec un traçage thermique pour obtenir une température d'injection de l'oxygène gazeux comprise entre 300 C et 350 C. La réaction stoechiométrique entre l'oxygène et le carbone est conduite par une régulation du débit d'oxygène pilotée par capteurs thermiques, régulation non représentée mais connue, pour obtenir une température du mélange Ca(OH)2 + C comprise entre 580 C et 650 C, ce qui transforme la chaux éteinte Ca(OH)2 en chaux vive CaO. La vapeur d'eau de transformation et le C02 sont évacués par des tubulures 12', 12" vers le condenseur 15 déjà décrit en figure 1. La chaux vive CaO issue du réacteur 22 est introduite dans l'échangeur 1 au moyen d'un système de transfert 25 pour continuation du cycle en boucle. Un prélèvement du mélange Ca(OH)2 + C est réalisé par un système connu mais à l'abri de l'air en 26, la contrepartie du prélèvement étant effectuée en 27 par apport de CaO neuve au moyen d'un système connu et en provenance d'un réservoir de stockage non présenté. Le fluide caloporteur 4 est bouclé entre le réacteur 22 et l'échangeur 1 par un système connu avec un réservoir tampon 5', dans lequel peut circuler un fluide réchauffeur 7 permettant l'amorçage du procédé. L'ensemble du dispositif étant construit, mécanisé, calorifugé, instrumenté et automatisé par les moyens industriels à la portée de l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1 . Procédé de traitement des boues de station d'épuration et des effluents liquides divers non radioactifs, dans lequel on injecte une boue pompable issue d'un système de décantation ou de centrifugation à température ambiante dans une masse de particules d'oxyde de calcium CaO, caractérisé en ce que la masse de particules d'oxyde de calcium CaO (chaux vive) présente une granulométrie inférieure à 5 mm et a été préalablement chauffée à une température comprise entre 250 C et 650 C au moyen d'un échangeur thermique (1) à conduction indirecte intégrant un système de fluide caloporteur chauffé par la réaction exothermique de l'eau H20 contenue dans la boue avec l'oxyde de calcium, l'amorçage du procédé étant réalisé par un préchauffage du fluide caloporteur par un moyen connu compatible. 2 . Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la quantité de boue injectée dans la masse de particules d'oxyde de calcium est calculée sur le rapport stoechiométrique résultant de la réaction CaO + H20 => Ca (0H)2 (chaux éteinte) pour obtenir entre une fois et demi et dix fois ce rapport, en fonction du rendement de l'échangeur et du fluide caloporteur, la réaction exothermique générée par le mélange CaO + H20 étant conduite dans une enceinte permettant l'échappe ment de la vapeur d'eau tout en maintenant une pression interne comprise entre 1 000 et 10 000 Pa, l'excédent d'eau au delà du rapport stoechiométrique étant vaporisé par échange thermique direct entre l'eau et les particules d'oxyde de calcium chaud, la vapeur d'eau produite étant condensée par un moyen connu en vue de sa restitution au réseau naturel ou tout autre réseau incorporé. 3 . Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que la réaction entre l'eau contenue dans la boue et les particules d'oxyde de calcium est conduite en maintenant une agitation constante des particules d'oxyde de calcium grâce à un moyen mécanique associé à l'échangeur thermique (1) de façon à obtenir une combinaison entre la périphérie des dites particules et la vapeur d'eau produisant un accroissement de la surface spécifique des particules de chaux éteinte Ca(OH)2 obtenues. 4 . Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la boue à traiter contient au moins 5% de matières organiques, la réaction exothermique étant déterminée pour que lesdites matières organiques subissent par conduction thermique directe avec les particules d'oxyde de calcium une pyrolyse détruisant tous les organismes pathogènes contenus dans la dite boue et provoquant un craquage thermique des matières organiques induisant une réaction exothermique additionnelle pour le chauffage du fluide caloporteur. 5 . Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que la réaction exothermique est déterminée de manière à ce que la pyrolyse des matières organiques en présence de vapeur d'eau génère un carbone amorphe poreux donnant des caractéristiques de grande porosité et surface spécifique à l'ensemble du mélange de chaux éteinte et de carbone ainsi obtenu conférant à ce mélange des qualités absorbantes et adsorbantes permettant de l'utiliser dans les procédés de traitement de l'eau, de l'air, des gaz et des fumées. 6 . Produit obtenu par l'application du procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un mélange de particules de chaux éteinte et de carbone amorphe dont la porosité et la surface spécifique le rendent particulière ment adapté au traitement de l'eau, de l'air, des gaz, et des fumées. 7 . Procédé selon la revendication 5 caractérisé en ce que le mélange de chaux éteinte et de carbone est introduit à l'abri de l'air et à une température comprise entre 300 et 350 C dans un réacteur (22) constitué d'un second échangeur thermique à chauffage par conduction indirecte et à circulation de fluide caloporteur, les particules du dit mélange étant maintenues en agitation continue par un moyen mécanique associé au dit réacteur, de l'oxygène gazeux sous une pression réglée entre 500 et 1000 Pa étant injecté dans le dit mélange de manière à obtenir une combustion stoechiométrique du carbone et des gaz de pyrolyse engendrant une élévation de température du mélange entre 580 et 650 C entraînant la dissociation de la chaux éteinte Ca(OH)z pour la transformer en chaux vive CaO avec dégagement de vapeur d'eau et C02, la chaux vive ainsi obtenue étant introduite à l'abri de l'air dans l'échangeur thermique (1) afin de recommencer un cycle de traitement. 8 . Dispositif destiné à l'application du procédé selon les revendica tions 1 à 5, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un échangeur thermique (1) formé d'une double enveloppe (2) et d'une vis (3) à spires creuses animée en rotation, le fluide caloporteur, véhiculé par un réseau (4), circulant sous pression dans ladite vis et ladite double enveloppe grâce à une pompe (6), un réservoir tampon (5) assurant le maintien thermique du fluide caloporteur et comportant un système à fluide réchauffeur (7) permettant la mise en température pour l'amorçage du procédé, la chaux vive CaO étant introduite dans l'échangeur thermique (1) au moyen d'un système d'introduction (8) avec régulateur de débit (9) avec système antiretour, l'agitation de la chaux vive étant obtenue au moyen de palettes (10) fixées sur les spires creuses de la vis (3), la boue étant injectée au moyen d'injecteurs (11), la chaux éteinte et le carbone de réaction étant évacués par un conduit (13) pourvu d'un système connu d'antiretour (14), et la vapeur de réaction étant évacuée par une tubulure 12 vers un condenseur (15) faisant office de régulateur de la pression interne de l'échangeur thermique (1). 9 . Dispositif selon la revendication 8 destiné à l'application du procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte un réacteur (22) constituant un second échangeur thermique formé d'une enceinte avec double enveloppe et d'une vis rotative à spires creuses dans lesquelles rcule un fluide caloporteur bouclé entre le réacteur (4) et l'échangeur thermique (1) par un système connu avec réservoir tampon (5') pourvu d'un système de préchauffage du système, la chaux éteinte et le carbone de réaction étant évacués de l'échangeur thermique (1) par un système d'extraction (20) et transférés ar un système de convoyage (21) pour être introduits dans le réacteur (4) par un système d'injection (23), l'enceinte du dit réacteur comportant un système d'insufflation (24) d'oxygène gazeux construit avec un traçage thermique pour obtenir une température d'injection de l'oxygène gazeux comprise entre 300 C et 350 C, la réaction stoechiométrique entre l'oxygène et le carbone étant conduite par une régulation du débit d'oxygène pilotée par capteurs thermiques maintenant la température du mélange de chaux éteinte et de carbone entre 580 et 650 C, la vapeur d'eau de transformation et le C02 étant évacués par des tubulures (12', 12") vers le condenseur (15), la chaux vive CaO issue du réacteur (22) étant introduite dans l'échangeur thermique (1) par un système de transfert (25) pour continuation du cycle en boucle, un prélèvement de mélange de chaux vive et de carbone étant réalisé par un système connu è l'abri de l'air (référence 8), la contrepartie dudit prélèvement étant effectuée (référence 9) par apport de CaO neuve en provenance d'un système de stockage.