Brevet FR2867773A1 — publié le 20050923

- 1 - La présente invention a pour objet un procédé de traitement des boues d'épuration, c'est-à-dire des boues issues de l'épuration des eaux usées de collectivités ou d'industries, ainsi qu'un système de traitement desdites boues pour la mise en oeuvre dudit procédé. Les boues issues de l'épuration des eaux usées sont des boues liquides dont la teneur en matière sèche varie de 1 à 10%, leur teneur moyenne se situant généralement aux alentours de 3%. Ces boues sont habituellement traitées par des techniques de séparation solide/liquide permettant de rejeter d'un côté des effluents liquides clarifiés et de l'autre des boues déshydratées ayant une teneur en matière sèche d'au moins 20%. Afin de favoriser la séparation solide/liquide, on ajoute à ces boues des composés comme des floculants. Le mélange est ensuite déshydraté soit par voie naturelle sur lit de séchage ou encore par gel/dégel soit par déshydratation mécanique avec des filtres. Les boues déshydratées sont ensuite mises en décharge ou utilisées comme fertilisants dans le secteur agricole, selon la composition de ces boues. Toutefois, cette dernière voie est aujourd'hui évitée du fait de la forte teneur de ces boues en métaux toxiques et autres contaminants. En outre, une Directive Européenne du 26 avril 1999 recommande d'éviter la mise en décharge systématique de ces boues, puisqu'elles ne constituent pas un déchet ultime. La principale voie restante de valorisation de ces boues est donc celle de leur élimination par incinération. Le brevet allemand DE 3.922.928 propose ainsi un procédé de déshydratation de boues d'épuration consistant à mélanger des boues d'origine industrielle ou urbaine à des boues d'épuration contenant des particules fibreuses, provenant notamment des industries papetières ou textiles. On adjoint ensuite au mélange des floculants synthétiques ou organiques, puis on procède à une filtration sous pression ou sous vide du mélange précédent. Les gâteaux de filtration obtenus ont une siccité supérieure à 40 %, constituent un bon combustible et produisent peu de cendres. CHK-FR-1 TD - 2 Ce procédé, qui apporte une solution au problème de la valorisation par incinération de ces boues d'épuration, présente toutefois un certain nombre d'inconvénients. Tout d'abord, le taux d'humidité du gâteau reste élevé et sa combustion n'est donc pas optimale du point de vue énergétique. Ensuite, il nécessite de pouvoir se procurer des boues contenant des particules fibreuses d'origine papetière ou textile, impliquant la proximité de telles industries. L'un des buts de la présente invention est donc de pallier ces inconvénients en proposant une solution simple, rapide, efficace et économiquement intéressante. A cet égard, il est proposé un procédé de traitement de boues d'épuration comportant une étape de séparation par filtration remarquable en ce que ledit procédé comporte préalablement à l'étape de séparation, une étape d'addition de deux types de charges solides, chaque type de charge étant constitué de particules ayant une granulométrie moyenne homogène, distincte de celle des particules constituant l'autre type de charge, afin de former une matrice incompressible de filtration à fort pouvoir drainant et d'obtenir un gâteau de filtration ayant un taux de siccité optimal. On comprend bien qu'en créant ainsi une matrice de filtration incompressible à fort pouvoir drainant, on pourra lors de l'étape de filtration optimiser la séparation solide/liquide en évitant notamment le colmatage du filtre employé par les particules de matière sèche des boues qui seront retenues par cette matrice incompressible. Comme cela sera détaillé plus loin, cette étape permet avantageusement d'obtenir des rendements de déshydratation supérieurs à 90% et des gâteaux de filtration ayant au moins une siccité de 60%, et même supérieure à 80% avec des paramètres optimisés. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux de la description qui va suivre des étapes du procédé selon l'invention ainsi que du système de mise en ouvre dudit procédé, en référence aux dessins annexés sur lesquels: CHK-riz-i iD - 3 - - la figure 1 est une vue schématique du dispositif de filtration employé. Les boues ayant servi à la mise au point du procédé selon l'invention sont des boues provenant d'une station d'épuration d'eaux usées urbaine ayant une siccité initiale de 2%. Ces boues sont soumises au procédé de traitement selon l'invention qui comporte trois grandes étapes: une première étape d'adjonction de charges solides, suivie d'une étape d'adjonction de floculants, à laquelle succède une étape de filtration sous pression. Selon une caractéristique essentielle du procédé selon l'invention, les boues issues du traitement d'épuration sont collectées dans une cuve et mélangées à deux types de charges solides. Ces charges solides sont constituées de particules ayant une granulométrie moyenne homogène, bien distincte de celle des particules de l'autre type de charge. L'homogénéité de la répartition granulométrique des particules de la charge utilisée est essentielle à la réalisation d'une bonne séparation solide/liquide lors de la filtration. Cette étape d'addition de charges solides aux boues est réalisée sous forte agitation afin d'assurer la bonne dispersion des solides. Le premier type de charges solides est qualifié de fraction grossière et est constitué de particules solides ayant une granulométrie moyenne supérieure à celle des particules solides formant le second type de charge solides, qualifié de fraction fine. La fraction grossière a pour fonction principale de former une matrice de filtration poreuse incompressible au sein du gâteau de filtration lors de l'étape de filtration. Les particules utilisables pour former cette fraction grossière peuventêtre, par exemple, du carbonate de calcium ayant un diamètre moyen de plus de 300 micromètres ou encore, du sable ayant un diamètre moyen variant de 190 micromètres à 700 micromètres, par exemple. L'autre type de charge formant la fraction fine, a pour fonction, outre de contribuer à la constitution de la matrice de filtration, d'adsorber les particules de matière CHK-FR-I_TD - 4 - sèche en suspension dans la boue. Cette fraction fine peut, par exemple, être constituée de carbonate de calcium fin, ayant un diamètre moyen proche de 20 micromètres ou encore de sciure de bois dont le diamètre moyen est de l'ordre de 130 micromètres. On comprend bien que d'autres types de particules peuvent être employés, la contrainte étant que les particules de la charge fine ne colmatent pas les pores de la matrice de filtration. De préférence, on emploiera pour ces charges solides des matériaux facilement disponibles et peu onéreux. En outre, selon la destination finale des boues déshydratées, on adaptera avantageusement la nature des charges. Ainsi, dans l'optique d'une élimination par incinération, on veillera a améliorer leur pouvoir calorifique en introduisant des particules fortement combustibles, du type sciure de bois par exemple. Différentes associations de fractions fines et grossières ont été testées et les formulations optimales, pour une boue d'une siccité de 2% et une étape de filtration menée sous une pression de 60 bars sont récapitulées dans le tableau 1 ci dessous: Composition du mélange formulé Rendement de Taux de déshydratation matière sèche du gâteau 1 000 g de boue avec une siccité de 2 % Formulation I 50 g de carbonate de calcium fin (d50 = 16,4 m) 94,70 % 86,03 % 250 g de carbonate de calcium grossier (d5o= 376,4 m) Formulation II 1 000 g de boue avec une siccité de 2 % 95,20 % 80,60 % g de carbonate de calcium fin (d50 = 16,4 m) g de sable (d50 = 191 m) Formulation III 1 000 g de boue avec une siccité de 2 % 96,20 % 82,00 % g de sciure de bois (d50 = 129 m) g de sable (d50 = 191 m) Le rendement de déshydratation est défini par le rapport de la quantité d'eau récupérée après filtration sur la quantité totale d'eau dans la boue traitée avant filtration. Les proportions relatives de chacune des fractions de 30 charge solide sont bien entendu variables en fonction de la CHIC-FA-] TD - 5 siccité initiale des boues, ainsi que des ressources disponibles en matières premières entrant dans la constitution de ces fractions. Ainsi, pour la formulation I du tableau précédent, le rendement de déshydratation varie entre 94,00% et 94,7% pour toutes les associations entre 50 et 100 g par kilo de boues en fraction fine de carbonate de calcium avec une fraction grossière de carbonate de calcium variant entre 200 et 350 g par kilo de boue. Pour la formulation II, associant une fraction grossière de sable et une fraction fine de carbonate de calcium, un rendement de déshydratation supérieur à 92% a été obtenu avec une proportion de carbonate de calcium variant entre 25 et 50 g par kilogramme de boue et une proportion de sable variant entre 130 et 200 g par kilo de boue. Enfin, pour la formulation III, un rendement de déshydratation supérieur à 95% a été observé pour des associations de sciure et de sable variant respectivement entre 10 et 25 g de sciure par kilo de boue et 100 à 150 g de sable par kilo de boue. Une fois la boue mélangée aux charges solides, le mélange est soumis à l'étape de floculation. On additionne au précédent mélange un ou plusieurs floculants, tels que ceux classiquement employés dans ce type de procédé, comme par exemple des sels de fer. L'addition d'un floculant à la boue chargée en particules permet de casser la stabilité colloïdale des boues, libérant ainsi l'eau emprisonnée dans les groupements colloïdaux et d'optimiser la séparation solide/liquide. Les quantités de floculants additionnées varient en fonction de la nature des boues, selon les ordres de grandeur habituellement rencontrés dans les procédés de déshydratation de boues. On procède ensuite à l'étape de séparation solide/liquide de ces boues reformulées, mélangées aux charges solides et aux floculants. Selon une caractéristique de l'invention, cette séparation solide/liquide est une filtration sous pression, réalisée dans un dispositif spécifique du type filtre-presse à vessie, cette dernière étant mise en action par la pression d'un fluide. C'est lors de cette étape de cm(-ex-i Tv - 6 filtration que va se former au sein du gâteau de filtration une matrice poreuse et non compressible grâce à l'association des fractions grossières et fines des charges solides, permettant un drainage efficace de l'eau des boues et évitant le colmatage du filtre par les particules de matière sèche des boues. On obtient ainsi un gâteau de filtration présentant une siccité supérieure à 60 voire 80 % dans des conditions optimisées comme cela est montré avec les exemples de formulation donnés précédemment. On comprend bien que la valeur de la pression appliquée va influer sur le rendement de déshydratation. Ainsi, avec les formulations de charges solides testées, il a été déterminé que la pression optimale exercée sur la vessie se situe entre 40 et 60 bars. Un autre objet de l'invention est le système de traitement de boues permettant la mise en oeuvre du procédé que l'on vient de décrire. Ce système de traitement de boues comporte donc un premier réacteur de dispersion des charges permettant le mélange des boues d'épuration et des deux fractions de charges solides. Bien entendu, le système de traitement pourra comporter une cuve de stockage des boues d'épuration ainsi qu'un réservoir de stockage pour chacun des deux types de charges solides. Après agitation, le mélange est transféré par une pompe dans un réacteur de floculation, qui est également alimenté par le floculant provenant d'un réacteur de préparation de ce dernier. Le mélange formé dans le réacteur de floculation est ensuite transféré dans le dispositif de filtration selon l'invention. En référence à la figure 1, ce dispositif de filtration 1 est composé d'une grille cylindrique 2 métallique constituant le filtre, dont le fond 3 est amovible afin de pouvoir extraire le gâteau de filtration une fois l'étape de filtration terminée. La seconde extrémité du cylindre est fermée par un couvercle 4 auquel est rattaché sur sa face interne et coaxialement au cylindre 2 une vessie étanche 5. Cette vessie 5 est reliée à un groupe hydraulique 6 permettant d'injecter de l'eau sous pression dans la vessie 5. croc-FR-I Tn - 7 - Pour déshydrater les boues, on introduit donc le mélange issu du réacteur de floculation dans le dispositif de filtration 1 par un orifice de remplissage 7 situé en haut du cylindre. On met ensuite sous pression la vessie 5 qui va presser le mélange uniformément contre la paroi cylindrique interne du filtre et permettre l'évacuation de toute l'eau résiduelle non éliminée par le simple effet de la gravité. Cette étape de mise sous pression dure quelques minutes, en général une à deux minutes. On dégonfle ensuite la vessie 5 et on récupère le gâteau formé en enlevant le fond 3 et en extrayant le gâteau au moyen d'un outil approprié, par exemple une tige métallique ou encore, un disque annulaire placé contre la face interne du couvercle 4 du dispositif de filtration 1 et guidé par une tige que l'on pousse vers le bas dans la direction longitudinale du dispositif de filtration 1 afin de décrocher le gâteau de filtration. On obtient ainsi un produit combustible comportant des boues d'épuration, avantageusement en forme de cylindre creux qui facilitera sa combustion. Avantageusement, la structure interne de ces gâteaux de filtration à grande surface spécifique (m2/kg) et à porosité ouverte permet d'améliorer la siccité du gâteau par simple séchage convectif naturel. Ainsi par exemple, dans le cas d'un gâteau issu du procédé selon l'invention avec les paramètres de la formulation III précédemment exposée, la siccité passe de 82% à 87% suite à un balayage de 30 minutes avec de l'air ambiant (T = 20 C). Un balayage de 30 minutes avec de l'air chaud (T = 70 C) permet d'atteindre une siccité de 91%. On comprend d'autant mieux l'intérêt économique du procédé, en regard du rendement énergétique global et de la moindre déperdition calorifique lors de la combustion du gâteau de filtration. Bien entendu, le système de traitement de boues selon l'invention pourra comporter plusieurs dispositifs de filtration placés en parallèle et fonctionnant par intermittence, permettant un traitement quasi continu des CHK-FR-1_TD - 8 - boues additionnées de charges solides et de floculants. On comprend bien en outre que l'Homme de l'Art est à même d'établir le dimensionnement du système de traitement en fonction de la quantité de boues d'épuration à traiter. Enfin, il va de soi que le procédé de traitement de boues peut être appliqué à tout type de boues d'épuration et que les exemples de formulations des charges solides que l'on vient de donner ne sont que des illustrations particulières, en aucun cas limitatives du domaine d'application de l'invention. - 9 - REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement de boues d'épuration, c'est-à-dire provenant d'installations d'épuration des eaux usées comportant une étape de séparation solide/liquide par filtration caractérisé en ce que ledit procédé comporte préalablement à l'étape de filtration une étape d'addition de deux types de charges solides, chaque type de charge étant constitué de particules ayant une granulométrie moyenne homogène, distincte de celle des particules constituant l'autre type de charge, afin de former une matrice incompressible de filtration à fort pouvoir drainant lors de l'étape de filtration. 2.Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'un premier type de charges solides forme la fraction grossière des charges, constituée par des particules solides ayant un diamètre moyen supérieur à celle des particules solides formant le second type de charges, laquelle fraction grossière est destinée à former le réseau poreux incompressible de la matrice de filtration. 3. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que le second type de charges forme la fraction fine des charges, laquelle fraction fine est apte à adsorber les particules de matière sèche de la boue d'épuration. 4. Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce 25 que la fraction fine et la fraction grossière sont constituées de particules de carbonate de calcium. 5. Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que la fraction fine est constituée de particules de carbonate de calcium et la fraction grossière de sable. 6. Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que la fraction fine est constituée de particules de sciure et la fraction grossière est constituée de sable. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'étape d'addition des charges solides est réalisée sous forte agitation afin d'assurer une bonne dispersion des charges dans la boue. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications CHK-FR-1 TD - 10 précédentes caractérisé en ce que l'étape d'addition des charges solides est suivie d'une étape de floculation avant de procéder à l'étape de séparation solide/liquide. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'étape de séparation solide/liquide est une filtration sous pression. 10. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la filtration sous pression est réalisée dans un filtre-presse cylindrique muni d'une vessie étanche disposée le long de l'axe longitudinal central du cylindre, cette vessie étant mise en action par la pression d'un fluide. 11. Système de traitement de boues d'épuration comportant un réacteur de préparation d'un agent floculant, et un réacteur de floculation dans lequel la boue à traiter est mélangée au floculant, ainsi qu'un dispositif de filtration caractérisé en ce qu'il comporte un réacteur de mélange de la boue avec deux types de charges solides, lequel réacteur de mélange est relié au réacteur de floculation. 12. Système de traitement de boues d'épuration selon la revendication précédente caractérisé en ce que le dispositif de filtration (1) est du type filtre-presse et comporte une grille cylindrique métallique (2) formant le filtre ainsi qu'une vessie (5) mise en action par la pression d'un fluide, disposée co-axialement à la grille (2) et rattachée à la face interne du couvercle (4) de ladite grille (2). 13. Produit combustible comportant des particules de matière sèche de boues d'épuration, en forme de cylindre creux, obtenu par le procédé de traitement des boues d'épuration selon la revendication 10. CHK-FR-1 TD