Brevet FR2932470A1 — publié le 20091218

PROCEDE DE TRAITEMENT DE BOUES MINERALES ET EOUIPEMENT POUR LA MISE EN îUVRE DU PROCEDE La présente invention concerne un procédé de traitement de boues minérales et un équipement pour la mise en oeuvre du procédé. Elle s'applique, entre autres, au traitement des effluents issus de l'industrie minière ou minérale, de procédés de dragage ou d'opérations de travaux publics produisant des quantités importantes de boues minérales en vue de leur déshydratation et solidification hors sol. De par leur volume conséquent, ces boues présentent un problème important de stockage dans la mesure où elles ne sont pas destructibles. Traditionnellement, leurs stockages étaient principalement réalisés par épandage des boues dans des zones fermées où les boues décantaient puis étaient abandonnées : - construction de barrage sur des vallées encaissées, - utilisation des excavations produites par l'enlèvement des matériaux, - lagunes (bassins) plus ou moins naturelles, - construction de casiers avec des levées de terre... Alors que certaines boues grossières (sables, graviers...) peuvent sécher et reconstituer un sol utilisable par exemple en agriculture, la plupart des effluents, contenant de grosses quantités de matières en suspension sous forme colloïdale (argiles, limons...), sont particulièrement stables et difficiles à décanter et ne se déshydratent pas. On notera que les termes � sable �, � gravier �, � argile � et � limon � désignent la taille du grain plutôt que sa composition. Le sable est un matériau passant dans un tamis n° 4 (4,76 mm), mais non dans un tamis n° 200 (0,074 mm). Le gravier est un matériau granuleux qui ne traverse pas un tamis n° 4 et qui atteint jusqu'à 9 cm. Le matériau plus fin, colloïdal, qui traverse un tamis n° 200, est appelé argile ou limon. Ces boues ainsi stockées constituent alors à long terme des zones à risque, notamment lesdits bassins de boue en cas de rupture des digues. De plus, avec une croute superficielle plus ou moins sèche recouvrant une � couche colloïdale � molle, ces zones de stockage ne supportent pas le poids d'animaux, de piétons, ou de véhicules. Les solutions de stockage traditionnelles s'avérant inadaptées voir dangereuses, de plus en plus de réglementations nationales ont été publiées interdisant l'abandon de ces zones assortie d'une obligation de remise en état, à savoir traitement et consolidation. Pour ce faire, diverses techniques ont été testées afin de faciliter l'élimination de l'eau emprisonnée : vibration, mèches poreuses, drains, arbres à forte évaporation mais l'épaisseur des couches est telle (3 à 150 mètres) et la quantité d'eau emprisonnée si importante que ces traitements ont été voués à l'échec. Une première amélioration a été obtenue en épaississant les effluents avant de les envoyer dans ces bassins. L'épaississement (ou conditionnement) consiste en une floculation de la boue qui a pour but de favoriser, à l'aide d'un mélange lent, le contact entre les particules colloïdales qui vont se rassembler pour former des conglomérats plus volumineux (flocs). Par la mise en oeuvre de cette technique, il a été possible de doubler la concentration en matière sèche des boues traitées mais dans la plupart des cas (argiles colloïdales, boues rouges, boues de sables bitumineux, dragages avec limons importants...) le résultat obtenu a été insuffisant. Il s'est avéré, en particulier, que le transport de ces boues par canalisation avant stockage avait pour conséquence la destruction des flocs rendant à la boue, au moins partiellement, sa structure colloïdale d'origine. En 1979-1980 Alsthom Atlantique et SNF (US 4347140) ont développé un système de floculation en plusieurs étapes en vue de traiter spécialement des lagunes d'argiles provenant de la production de phosphates en Floride. Le procédé mis en oeuvre consistait dans une première étape, à conditionner à l'aide de floculants les boues (provenant - soit de laverie de phosphate - soit de dragage de lagunes ou elles avaient été stockées) dans un décanteur ou dans un décanteur puis un épaississeur. 30 La boue épaissie était alors pompée vers une zone hors sol où elle était ensuite déposée après une addition en tuyauterie en un ou plusieurs points d'une quantité supplémentaire de floculant. Cette sur-floculation dans la canalisation avait pour conséquence de permettre à la boue de constituer un talus d'écoulement autorisant 35 ainsi un stockage hors sol et non en casier. L'eau qui s'échappait de la boue ainsi surfloculée était recyclée par un fossé périphérique et repompée vers la laverie de phosphate et/ou vers une unité de dilution du floculant afin d'en augmenter son efficacité. Il avait également été démontré qu'une couche d'empierrement, située sous25 la sous la zone de stockage, permettait de drainer l'eau interstitielle et de diminuer fortement le temps de séchage. De même, l'addition du floculant en plusieurs points avait pour effet d'améliorer son efficacité et de permettre une réduction partielle de sa consommation. Parallèlement, certains essais avec injection de floculant à partir d'une capacité sous pression incorporée à la tuyauterie ont permis une amélioration sensible mais très limitée du système. 10 Bien que novateur, le procédé Alsthom présente plusieurs inconvénients : - nécessité de diluer le floculant (habituellement à moins de 1 g/1) pour que le mélange avec le flux de boues puisse se faire en un temps de quelques secondes, ce qui augmente le volume de boue de 30 à 40% - de plus, de par la vitesse de pompage appliquée habituellement dans la 15 tuyauterie (de l'ordre de 2 à 3 m/sec), un fort surdosage du floculant est nécessaire afin que les flocs ne soient pas détruit au fur et à mesure de leur formation. L'invention pallie tous les inconvénients décrits dessus. Description de l'invention La présente invention a donc pour but de mettre au point un procédé et un équipement de traitement d'effluents issus de l'industrie minière ou minérale en vue de leur 25 déshydratation et solidification ultérieure hors sol de telle manière à ce que le lieu de stockage redevienne utilisable. Selon l'invention, il a été trouvé de manière surprenante que le mouvement ascensionnel d'une boue issue de l'industrie minière ou minérale dans une cuve 30 verticale servant de floculateur, placée en sortie de tuyauterie juste avant l'opération d'épandage et dans laquelle un agent de floculation est introduit par une ou plusieurs cannes d'injection télescopiques permettait d'améliorer de façon significative la décantation des particules solides fines contenues dans les boues lors de leur stockage hors sol en vue de la réhabilitation des surfaces utilisées. 35 L'invention a donc tout d'abord pour objet un procédé de traitement de boues issues de l'industrie minière ou minérale selon lequel, avant épandage hors sol, on fait subir 20 à la boue un mouvement ascensionnel au cours duquel elle est mise en contact avec un agent de floculation. Dans la suite de la description et dans les revendications, on désigne par � boue �, un effluent issu de l'industrie minière ou minérale, de procédés de dragage ou d'opérations de travaux publics. Le procédé de l'invention consiste donc à intercaler avant l'étape d'épandage, une étape de floculation spécifique au cours de laquelle la boue subit un mouvement ascensionnel. Selon une première caractéristique, la vitesse ascensionnelle de la boue est supérieure à sa vitesse de décantation. La vitesse ascensionnelle est en pratique comprise entre 0,1 et 0,5 mis. Avantageusement, le mouvement ascensionnel est doublé d'un mouvement centrifuge entraînant le mélange de la boue avec l'agent de floculation à une vitesse comprise entre 0.2 et 0.8 mis. On obtient ainsi un mélange homogène. Il est aussi possible d'accélérer la boue dans la cuve par la présence de déflecteurs occultant une partie de la surface et modifiant la direction des courants améliorant ainsi le mélange et la floculation. Selon l'invention, l'agent de floculation est introduit dans la boue à une concentration comprise entre 50 et 500 g par tonne de solide en fonction de la nature et de la composition de la boue à traiter. En pratique, le temps de contact entre la boue et l'agent de floculation est compris entre 1 et 10 minutes, avantageusement entre 2 et 5 minutes. Selon une autre caractéristique, l'angle d'écoulement de la boue au moment de l'épandage est, de préférence, compris entre 2 et 20 % (i.e.: dénivellation pour 100 mètres à l'horizontal). 30 La présente invention a également pour objet une installation pour la mise en oeuvre du procédé. Cette installation se caractérise en ce qu'elle comprend une cuve verticale alimentée à sa base par une canalisation d'amenée de la boue. Selon une autre caractéristique, la cuve est, de préférence, munie en partie haute, d'un plan incliné destiné à l'évacuation de la boue. 35 En pratique : a/ la cuve : - a un diamètre permettant de maintenir une vitesse ascensionnelle supérieure à la vitesse de décantation de la boue floculée, - dispose d'une tuyauterie d'entrée de boue à traiter, soit par un tube plongeur soit par une canalisation, située en partie basse de la cuve et conformée de manière à créer un effet centrifuge permettant un mélange à faible vitesse (0,2 à 0,8 m/sec), - et est dimensionnée pour que la boue y ait un temps de séjour compris entre 1 et 10 minutes, de préférence entre 2 et 5 minutes, b/ l'agent de floculation : - est introduit par une ou plusieurs cannes d'injection û télescopiques û ou réparties sur la hauteur de la cuve permettant le contrôle du temps de floculation. Par exemple avec une cuve de temps de séjour de 4 minutes, le mélange pourra se faire suivant la hauteur d'injection du floculant dans la boue de 1 à 4 minutes, - et est, de préférence, injecté sous forme diluée, se présentant en solution dans l'eau ou en dispersion dans un milieu solvant (ou saumure) dans lequel le floculant n'est pas ou pas totalement soluble, c/ la boue floculée : - s'évacue par le haut de la cuve, du fait de la vitesse ascensionnelle, ou elle est déposée sur son lieu de stockage hors sol par l'intermédiaire d'un plan incliné constitué : - par une ou des goulottes, éventuellement perforées (grilles courbes), de préférence en acier ou en bois ou - par un enrochement sous la cuve de floculation ou - par de larges tuyauteries à faible vitesse (inférieure à 0,2 m/sec). Cette méthode permet à la fois de diminuer très significativement la consommation de floculant comparativement à une addition directe du même floculant dans la canalisation et également d'augmenter fortement l'angle d'écoulement de la boue, qui est habituellement de 2 à 7 % et peut monter jusqu'à 8 à 20 %. On constate aussi que plus la pente est élevée, plus l'eau interstitielle est faible et plus son drainage est rapide malgré la pression exercée par la hauteur de la boue. Selon l'invention, pour obtenir des volumes de stockage importants, il est nécessaire de construire des supports de cuve de floculation de hauteur relativement élevée (10, 5 20 jusqu'à 50 mètres). De même, une fois que la boue traitée et déversée atteint le bas de la cuve, il est nécessaire de déplacer celle-ci ou d'en reconstruire une lorsqu'elle est positionnée en pivot central et impossible à récupérer. Outre les dispositions qui précèdent, l'invention comprend encore d'autres variantes de réalisation. Parmi celles-ci, on citera de manière non limitative : - l'addition de sable, de chaux et/ou de sulfate de calcium dans la boue, - l'introduction du floculant en 2 points dans la cuve voir en un point dans la canalisation et le second dans la cuve selon l'invention, voir l'utilisation de 2 types de floculants selon les 2 modes d'introduction précités, - la présence d'une ouverture de nettoyage en bas de cuve pour éliminer les graviers ou les sables lourds qui peuvent s'y accumuler, - l'utilisation d'une cuve sur roues ou sur rail lui permettant de se déplacer sur la levée de terre, - l'utilisation, comme plan incliné, de l'angle constitué par la levée de terre... Les principaux avantages de l'invention sont : - diminution forte de la consommation en floculant, - amélioration significative de la déshydratation et de la solidification de la boue, - et très grande adaptabilité aux contraintes liées à la fois à la nature de la boue à traiter (en terme de composition : quantités de fines/sables, surface spécifique...), au débit et aux conditions liées au site stockage lui-même (pas d'électricité, accès difficile...). Typiquement et sans limitation, les effluents boueux issus de l'industrie et traités selon l'invention proviennent de procédés de dragage, d'opérations de travaux publics, d'effluents issus de l'extraction de minerais (charbon, alumine, platine, phosphate, fer, diamants, or, cuivre...), de sables bitumineux, ou de tout type de boues aqueuses constituées d'argiles ou de limons. Selon l'invention, les agents de floculation utilisés incluent tous les types de polymères organiques solubles dans l'eau, y compris les (co)polymères cationiques, anioniques, non ioniques ou amphotères. L'agent de floculation le plus adapté à la boue est d'abord sélectionné en laboratoire à l'aide d'essais de routines. De préférence, il est choisi dans le groupe comprenant : û les (co)polymères anioniques, les (co)polymères cationiques ou amphotères, généralement pour les boues les plus organiques comme les dragages de canaux, les polyacrylates, polyhydroxamates voir les polymères naturels de type dextran, généralement pour les boues rouges d'alumine, les polyamines ou le polydiallyldiméthylamonium chlorure (polydadmac). généralement pour les boues de forage. En pratique, le polymère utilisé est, de préférence, constitué d'au moins un monomère choisi parmi : a/ les monomères anioniques possédant une fonction carboxylique (ex : acide acrylique, acide methacrylique, et leurs sels...), possédant une fonction acide sulfonique (ex : acide 2-acrylamido-2-méthylpropane sulfonique (AMPS) et leurs sels...)... b/ et/ou les monomères non ioniques : acrylamide, methacrylamide, N-vinyl 15 pyrrolidone, vinylacetate, alcool vinylique, esters acrylate, alcool allylique, le N-vinyl acetamide, la N-vinylformamide... c/ et/ou les monomères cationiques : on citera, en particulier et de façon non limitative, l'acrylate de dimethylaminoethyl (ADAME) et/ou le methacrylate de dimethylaminoethyle (MADAME) quaternisés ou salifiés, le chlorure de 20 dimethyldiallylammonium (DADMAC), le chlorure d'acrylamido propyltrimethyl ammonium (APTAC) et/ou le chlorure de methacrylamido propyltrimethyl ammonium (MAPTAC). En association avec ces monomères, il est également possible d'utiliser des 25 monomères insolubles dans l'eau tels que les monomères acryliques, allyliques ou vinyliques comportant un groupement hydrophobe. Lors de leur utilisation, ces monomères seront employés dans des quantités très faibles, inférieures à 20 moles %, de préférence inférieures à 10 moles %, et ils seront choisis préférentiellement dans le groupe comprenant les dérivés de dacrylamide comme les N-alkylacrylamide par 30 exemple le N-tert-butylacrylamide, l'octylacrylamide ainsi que les N,N-dialkylacrylamides comme le N,N-dihexylacrylamide...les dérivés d'acide acrylique comme les alkyl acrylates et méthacrylates... Les agents de floculation peuvent éventuellement ramifiés à l'aide d'un agent 35 ramifiant/réticulant en présence ou non d'un agent de transfert. On trouvera ci dessous une liste non limitative des agents ramifiants/réticulants : methylene bisacrylamide (MBA), l'ethylene glycol di-acrylate, le polyethylene glycol dimethacrylate, le diacrylamide, le cyanomethylacrylate, le vinyloxyethylacrylate ou methacrylate, la triallylamine, le formaldehyde, le glyoxal, les composés de type glycidyléther comme l'éthylèneglycol diglycidyléther, ou des époxy ou tout autre moyen bien connu de l'homme de métier permettant la réticulation. De même, les (co)polymères peuvent également : - être issus de la famille des polycondensats : résine épichlorhydrine, résine dicyandiamide... - ou avoir subit une (ou des) réaction (s) de post-modification (hydrolyse, dégradation d'Hoffman, produit de Mannich, réaction d'hydroxamation...) 10 La présente invention vise particulièrement les équipements de traitement de boues minières ou minérales propres à la réalisation de l'invention mais également la mise en oeuvre et les processus de traitement dans lesquels sont inclus ces appareillages. 15 Bien évidemment, les exemples qui suivent sont donnés uniquement à titre d'illustration de l'objet de l'invention, dont ils ne constituent cependant en aucune manière une limitation. La figure 1 est une représentation schématique de l'installation de l'invention selon un 20 premier mode de réalisation. La figure 2 est une alternative de la figure 1. La figure 3 est une représentation schématique de la cuve dans un premier mode de réalisation. La figure 4 est une représentation schématique de la cuve dans un second mode de 25 réalisation. La figure 5 est une représentation schématique de l'installation de l'invention selon un troisième mode de réalisation. La figure 6 est une représentation schématique de l'installation de l'invention appliquée au dragage. 30 Exemple 1 (contre-exemple) Les effluents d'une laverie de phosphate, après séparation du sable, sont floculés dans un décanteur avec un floculant anionique (acrylamide/acrylate de sodium 70/30, poids 35 moléculaire 18 millions) permettant à la boue ainsi traitée d'atteindre une concentration de 150g/litre de matières sèches. La boue est alors pompée à un débit de 300m3/h par le biais d'une canalisation vers une levée de terre haute de 20 mètres construite sur un lit de sable drainé. Le même floculant que celui utilisé dans le décanteur est introduit dans la canalisation après une dilution à la concentration de 0,05g/litre : en un premier point à 100 mètres de la fin de la canalisation et en un deuxième point à 15 mètres de la fin de la canalisation On fait alors varier les quantités de floculant requises de manière à créer le talus maximum de la boue ainsi floculée (valeur qui est de 5,5%). Les quantités requises en agent de floculation sont : - environ 200g/tonne de boue au premier point d'injection, - et 300g/tonne de boue au deuxième point, soit un total de 500 g/tonne. Un échantillon de boue épandue prélevé deux jours après la fin du pompage. Il contient 480g/litre de matière solide. Après 12 mois de stockage la surface du site d'épandage est fissurée et suffisamment consolidée de manière à permettre un passage de véhicule léger. Exemple 2 On reproduit l'exemple 1 ci-dessus. Les effluents d'une laverie de phosphate, après séparation du sable, sont floculés dans un décanteur (1) avec un floculant anionique 25 (acrylamide/acrylate de sodium 70/30, poids moléculaire 18 millions) permettant à la boue ainsi traitée d'atteindre une concentration de 150g/litre de matières sèches. La boue est alors pompée à un débit de 300m3/h par le biais d'une canalisation (3) vers une levée de terre haute (2) de 20 mètres construite sur un lit de sable drainé. 30 A la suite de la canalisation (3) est installée une cuve cylindrique verticale (4) de 6m3 utile avec un diamètre de 1 mètre 20. Une canne de floculation (5.1) (figure 2) est descendue dans la cuve de manière à obtenir visuellement la meilleure floculation à la fois à la sur verse et en bas du plan incliné (6). On doit plonger la canne de floculation 35 de 4 mètres environ. Dans une alternative représentée figure 3, on met en oeuvre 3 cannes de floculation latérales (5.2). La quantité optimum requise en agent de floculation est de 320g/tonne de boue. Le plan incliné a un angle de 20° par rapport au sol. Le talus d'écoulement (7) obtenu est de 9%. 15 20 Après deux jours, la concentration de la boue épandue est de 640g/litre de matière solide. La fissuration de surface est très importante après un mois de stockage avec des fissures très profondes. Après 7 mois, la boue supporte un véhicule léger. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 4, on utilise le talus (2) comme plan incliné (6). Exemple 3 10 Une drague suceuse (8) est utilisée pour la construction d'un port dans des dunes à faible niveau constituées par environ : 85 % de sable très fin d'une granulométrie maximum de 1 mm. et de limons constitués d'argiles très fines et d'une faible quantité de matière 15 organique. Le pompage se fait sur une digue de 12 mètres de haut par l'intermédiaire d'un tuyau de 60cm de diamètre à un débit moyen de 1500m3/h. 20 La cuve qui est posée sur une levée de terre (2), à un diamètre de 2 mètres et une hauteur de 6 mètres. Le plan incliné (6) a un angle de 20° par rapport au sol. On introduit la canne de floculant (5) au fond de la cuve (4) et on détermine visuellement le taux de floculant (idem exemple 1) pour obtenir une bonne floculation 25 et une eau interstitielle parfaitement limpide. La quantité de floculant nécessaire est d'environ 90g/tonne de matière sèche. Etant donné les variations de débit et de composition, la consommation moyenne permanente obtenue s'éléve a environ 110g/tonne de boue traitée. La pente obtenue est très importante, en moyenne 16%. Il faut donc déplacer la cuve très souvent. Le mélange sable-limon obtenu est totalement homogène. Après un mois il est possible de niveler au bulldozer les surfaces ainsi traitées et de construire les bâtiments de stockage du port sous 6 mois. A titre comparatif, lorsque le même floculant est introduit en canalisation 10 mètres avant la sortie, il faut en moyenne 180 g/tonne pour obtenir une floculation qui est partiellement rompue par la hauteur de chute. De même, avec une introduction en 2 30 35 points (à 100 mètres et 10 mètres de la sortie) la consommation reste élevée à environ 150g/tonne. Dans ce cas, à cause d'une rupture partielle des flocs, une partie des limons se disperse dans l'eau de récupération, requérant alors de passer dans une lagune de décantation avant son rejet en mer. Exemple 4 Dans ce mode de réalisation, la cuve (4) est montée sur un support (9) à une hauteur de 20 mètres environ. La cuve est munie sur toute sa périphérie d'un plan incliné (6). 10 Il s'ensuit que la boue traitée est déversée de part et d'autre de la cuve, hors sol. Lorsque le niveau de la boue traitée atteint la base de la cuve, celle-ci est changée ou enterrée. L'invention et les avantages qui en découlent ressortent bien de la description qui 15 précède. On note en particulier d'améliorer de façon significative la décantation des particules solides fines contenues dans les boues lors de leur stockage hors sol en vue de la réhabilitation des surfaces utilisées.5 REVENDICATIONS1/ Procédé de traitement de boues issues de l'industrie minière ou minérale selon lequel, avant épandage hors sol, on fait subir à la boue un mouvement ascensionnel au 5 cours duquel elle est mise en contact avec un agent de floculation. 2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vitesse ascensionnelle de la boue est supérieure à sa vitesse de décantation. 10 3/ Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le mouvement ascensionnel est doublé d'un mouvement centrifuge entraînant le mélange de la boue avec l'agent de floculation à une vitesse comprise entre 0.2 et 0.8 m/s. 4/ Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le temps 15 de contact entre la boue et l'agent de floculation est compris entre 1 et 10 minutes, avantageusement entre 2 et 5 minutes. 5/ Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'agent de floculation est introduit dans la boue à une concentration comprise entre 50 et 500g 20 par tonne de boue. 6/ Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'agent de floculation est choisi dans le groupe comprenant a/ les monomères anioniques possédant une fonction carboxylique ou une 25 fonction acide sulfonique ; b/ et/ou les monomères non ioniques : acrylamide, methacrylamide, N-vinyl pyrrolidone, vinylacetate, alcool vinylique, esters acrylate, alcool allylique, le N-vinyl acetamide, la N-vinylformamide ; c/ et/ou les monomères cationiques : l'acrylate de dimethylaminoethyl (ADAME) 30 et/ou le methacrylate de dimethylaminoethyle (MADAME) quaternisés ou salifiés, le chlorure de dimethyldiallylammonium (DADMAC), le chlorure d'acrylamido propyltrimethyl ammonium (APTAC) et/ou le chlorure de methacrylamido propyltrimethyl ammonium (MAPTAC). d) les copolymères issus de la famille des polycondensats : résine 35 épichlorhydrine, résine dicyandiamide... e) les (co)polymères anioniques ou cationiques issus d'une (ou des) réaction (s) de post-modification telle que hydrolyse, dégradation d'Hoffman, produit de Mannich, réaction d'hydroxamation... f) ou les polymères naturels tels que le dextran. 7/ Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'angle d'écoulement de la boue au moment de l'épandage est compris entre 2 et 20%. 8/ Installation pour la mise en oeuvre du procédé objet de l'une des revendications 1 à 7. 9/ Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle comprend une cuve 10 verticale alimentée à sa base par une canalisation d'amenée de la boue. 10/ Installation selon la revendication 9, caractérisée en ce que la cuve est munie en partie haute, d'un plan incliné destiné à l'évacuation de la boue. 15