Brevet FR2998291A1 — publié le 20140523

METHODE DE TRAITEMENT DES BOUES MINERALES PAR FLOCULATION EN LIGNE PUIS HORS SOL L'invention concerne un procédé de traitement en ligne puis hors sol de boues. Le traitement des boues minérales s'accumulant au-dessus du sol est devenu une nécessité à la fois au point de vue technique et réglementaire. Par « boues », on désigne notamment tous les types de boues comme par exemple les boues urbaines, les boues de forage, les boues industrielles, ainsi que tous les effluents miniers, déchets de l'exploitation des mines comme par exemple les mines de charbons, de métaux, ou encore d'huile lourde (oil sand). Ces suspensions comprennent généralement des argiles, des sédiments, du sable, des oxydes métalliques etc, mélangés avec de l'eau. La concentration des matières en suspensions est telle que le mélange est visqueux. Traditionnellement, ces boues étaient déversées dans des lagunes ou des barrages sous forme semi liquide et sur des épaisseurs allant à plusieurs dizaines de mètres. L'eau piégée dans ces boues ne pouvait s'évaporer et ces boues restaient semi liquides à vie. Leur traitement pour les rendre solide peut être effectué de plusieurs manières : par filtration au moyen de filtres à plateaux ou de filtres à bandes après floculation, par centrifugation après floculation. Eu égard aux gigantesques volumes mis en jeu, s'est développé depuis les années 70, la méthode de floculation hors sol en couches relativement minces et successives permettant à la fois une séparation immédiate du liquide par floculation puis une évaporation conduisant à obtenir un solide facilement transportable. Dans la plupart des cas, ces solides sont transportés vers les excavations des mines pour remblaiement. Cette méthode est d'autant plus avantageuse que les deux premières ne permettent pas le séchage naturel et donnent une boue à faible consistance. Leur séchage thermique est trop onéreux pour être utilisé. Ces méthodes sont aujourd'hui appliquées soit aux boues provenant d'épaississeurs, soit de boues provenant de lagunes et prélevées par l'intermédiaire de dragues. Cette méthode est maintenant ancienne, le premier brevet US 3,312,070, ayant été déposé le 9 mars 1960. On peut également citer comme autres documents les brevets US 4,347,140 de 1981, CA 1,273,888 de 1986, WO 96/05146 de 1994, CA 2,407,869 de 2000 et CA 1,515,581 en 2004. Toutes les méthodes décrites dans ces documents utilisent la floculation en ligne dans le tuyau de transport, en une ou plusieurs injections de floculant, à une certaine distance du point de sortie. La boue floculée est pompée et déchargée telle quelle au-dessus du sol ou sous la forme de couches successives, dans tous les cas dans des conditions telles que l'extrémité de la canalisation depuis laquelle la boue est déversée est située au-dessus du niveau le plus haut de la boue. Il est important de ne pas obtenir un épaississement par structuration de la boue donnant une consistance rigide ou semi rigide de la boue, tel un slurry gélifié qui ne se déshydraterait pas ou mal. La formation d'une boue dans laquelle un réseau unique entre les particules est formé grâce aux floculants ne donne pas de bons résultats en termes de séchage. Or la finalité du traitement des boues est bien leur séchage le plus complet possible permettant de les extraire par bulldozer ou de re-forester la zone. Une floculation très grenue avec des flocs bien séparés est nécessaire pour un meilleur séchage. Autrement dit, le meilleur compromis entre la déshydratation et le séchage de la boue est obtenu lorsque la boue traitée se présente sous la forme de flocs multiples et de larges dimensions. Les boues mises en couches de 10 à 50 cm environ sèchent en quelques jours ou quelques dizaines de jours donnant un solide plus ou moins consistant selon le type de boue. Le critère de floculation est visuel. Dans tous les cas, on ajoute une quantité de floculant telle que l'eau qui ruisselle soit totalement claire ou la plus claire possible lorsqu'elle contient des matières en solution. Plus la floculation sera grenue, c'est-à-dire sous forme de grains, et non épaissie ou gélifiée, plus le séchage par évaporation sera efficace. L'objectif est donc d'obtenir à l'issue de la floculation des flocs de taille homogène dont l'angle de repos soit le plus élevé possible. Cela permet d'étaler la boue traitée sur une pente plus importante et donc de décharger un volume maximum de boue sur une surface minimum. Eu égard à la vitesse de la suspension floculée à la sortie du tuyau, la boue ne peut pas se déposer immédiatement. Au contraire, elle est entrainée par le flux de liquide et ne se dépose que lorsque le poids des flocs (composante verticale de la force appliquée sur le floc) est supérieur à la force d'écoulement (composante horizontale de la force appliquée sur le floc). Plus précisément il est nécessaire que la boue traitée ne se pose pas sous forme rigide ou semi-rigide à la sortie de la tuyauterie Suivant la structure des boues et la pente en cours de formation, la distance à laquelle la boue se dépose par rapport à la sortie de la canalisation peut être importante, jusqu'à plusieurs dizaines, voire centaines de mètres. Le critère final est l'obtention après ce dépôt, d'une eau claire, ce qui signifie que toute la masse est bien floculée ce qui entrainera un séchage plus rapide. La limite est alors la longueur du casier de traitement qui donne la hauteur du dépôt en fonction de l'angle formé. La floculation dans le tuyau d'arrivée se heurte au fait que la floculation n'est pas une opération unitaire. Pour une bonne floculation, il faut : d'abord un mélange rapide entre la boue et le floculant, qui peut se faire dans la canalisation dans un régime turbulent où le nombre de Reynolds est très élevé puis la floculation elle-même qui requiert des cisaillements faibles où le nombre de Reynolds beaucoup plus faibles (régime laminaire) que ceux donnés par la vitesse du liquide dans la tuyauterie. Or, les vitesses de pompage sont importantes, de l'ordre de 1 à 3 mètres par seconde, sur des 20 canalisations habituellement de 200 à 600 mm de diamètre. Alors que le mélange est satisfaisant, il faut, pour obtenir une floculation totale un excès de floculant qui peut aller de 20 à 200 % de la quantité constatée au laboratoire. Cet excès permet, dans le milieu turbulent, de re-floculer les focs cassés par cisaillement. La floculation en ligne nécessite donc une quantité de floculant supplémentaire pour floculer les microflocs qui se sont formés par le cisaillement dû à la vitesse du liquide. Un inconvénient est que l'excès de polymère reste en partie libre conduisant à une eau de floculation visqueuse qui diminue la vitesse de séchage. Il existe donc un besoin d'améliorer les procédés de traitement des boues par floculation. La floculation en ligne étant impossible à obtenir avec une consommation très faible de floculant, il est apparu qu'il fallait séparer le phénomène de mélange du phénomène de 35 floculation, de la manière la plus optimale possible. 25 30 L'invention a ainsi pour objet un procédé amélioré de traitement de boue par floculation selon lequel : on transporte la boue à traiter dans une canalisation, - on injecte ensuite au moins un agent floculant dans la canalisation transportant la boue à traiter, - on mélange alors la boue avec ledit agent floculant, - enfin, on transporte puis on décharge le mélange obtenu dans une excavation naturelle ou artificielle à une distance du fond de ladite excavation inférieure à celle de sa profondeur. 10 Le procédé selon l'invention permet ainsi dans un procédé de traitement en ligne, de mieux séparer les étapes de mélange et de floculation. Lors du transport, l'étape de mélange est optimum et celle de la floculation est limitée. Le mélange de l'agent floculant et de la boue se fait généralement naturellement grâce aux turbulences générées dans la canalisation. 15 La floculation est effectuée dans l'excavation, lorsque celle-ci est remplie, grâce à des mouvements naturels ou remous liés à l'injection de la boue. Les cisaillements sont alors faibles, favorables à une bonne floculation. Cela est rendu possible par l'injection du mélange à un niveau inférieur au niveau haut de l'excavation. On constate qu'un cratère bouillonnant 20 se forme dans lequel la floculation est très efficace. Comme déjà dit, l'excavation peut être naturelle ou artificielle. L'excavation est formée directement dans un sol sur lequel aucune boue n'a encore été étalée, lorsqu'il s'agit de mettre en route une nouvelle installation. 25 Lorsqu'il s'agit d'adapter une installation existante, l'excavation est effectuée dans tout ou partie de l'épaisseur de la couche de boue lorsque celle-ci est déjà présente et avantageusement au-delà, dans le sol naturel. 30 Selon une première caractéristique le point d'injection du polymère dans la canalisation transportant la boue à traiter s'effectue préférentiellement près de la sortie de la tuyauterie transportant la boue à la zone de déchargement. On doit choisir le point d'injection de manière à ce que le mélange se fasse en ligne et la floculation, pour partie, après la sortie du tuyau. Ceci est habituellement obtenu par essais successifs, la distance entre le point 35 d'injection et la sortie de la canalisation allant de 10 à 200 fois le diamètre interne de la canalisation. En d'autres termes et selon l'invention, on injecte l'agent floculant à proximité de l'extrémité libre de la canalisation, préférentiellement à une distance depuis l'extrémité libre comprise 40 entre 10 à 200 fois le diamètre interne de la canalisation. Selon une autre caractéristique, le tuyau immergé est positionné verticalement. Plus précisément, la canalisation dans laquelle on transporte et depuis laquelle on décharge le mélange est avantageusement positionnée verticalement au moins dans sa partie terminale. 5 Dans ces conditions, au fur et à mesure que l'excavation se remplit, on immerge progressivement la canalisation verticale. Lorsqu'il s'agit d'une excavation artificielle, on forme le cratère de floculation à l'aide d'une pelle mécanique à la sortie du tuyau de déchargement. 10 Dans certains cas, on forme le cratère naturellement en dehors de la présence de toute excavation, au fur et à mesure que l'on décharge le mélange sur le sol qu'il soit recouvert ou non de boue ayant préalablement séché. 15 Dans la pratique toutes les configurations du procédé permettent de diminuer de manière significative la consommation de floculant. En outre, il semble que le procédé dans lequel le floculant est en partie ajouté lors du transport dans la canalisation et parallèlement directement dans le cratère de floculation, soit celui pour 20 lequel les consommations soient les plus faibles. En particulier, on obtient de bons résultats lorsqu'une majorité du floculant est ajouté dans la canalisation lors du transport et qu'un complément l'est dans le cratère de floculation. De manière générale, le fait d'injecter le mélange boue-floculant, formé dans le tuyau, près de 25 la sortie, à une altitude inférieure à celle de la boue une fois étalée, c'est-à-dire sous la couche de boue, permet de par la vitesse du liquide au moment du déchargement, de former un cratère où les vitesses se réduisent très rapidement permettant une floculation optimisée dans un régime peu turbulent, préférentiellement laminaire (nombre de Reynolds faible). 30 Lors de cette injection, on constate que le liquide bouillonne en surface laissant échapper sur le bord du cratère des flocs bien formés et se déposant rapidement avec des quantités de floculant bien inférieures à la floculation en ligne. Le démarrage du procédé peut se faire soit en creusant un trou à la pelle mécanique à l'arrivée 35 du tuyau, soit en attendant que la couche soit suffisante pour former un cratère. Evidemment, le point d'introduction du polymère est critique et le tuyau d'arrivée en possèdera plusieurs. La sélection se fera par essais successifs. 40 I1 est possible d'injecter un ou plusieurs floculants lors du transport. Toutes les natures chimiques de floculants peuvent être utilisées : les floculants naturels comme les polysaccharides ou les floculants synthétiques. Les floculants sont préférentiellement à base d'acrylamide. Parmi ces polymères, les copolymères préparés à partir des monomères suivants sont particulièrement intéressants : l'acide acrylique, l'ATBS (2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acide), le chlorure de diallyl diméthyl ammonium (DADMAC) l'acrylate de dialkylaminoéthyle (ADAME) et le méthacrylate de dialkylaminoéthyle (MADAME) ainsi que leurs sels acidifiés ou quaternisés, la N-vinyl pyrrolidone. Les polyoxydes d'éthylène, la polyéthylène amine peuvent également être utilisés dans ces polymères. L'invention et les avantages qui en découlent ressortiront mieux des exemples de réalisation suivants à l'appui des figures annexées. La figure 1 est une représentation schématique d'un procédé selon l'art antérieur. Les figures 2, 3 et 5 sont des représentations schématiques de variantes du procédé selon l'invention. La figure 4 est une représentation schématique d'un procédé de floculation hors ligne. Exemples Exemple comparatif 1 (fig 1) On souhaite traiter une boue de lagune (MFT ou Mature Fine Tailings) issue d'un procédé d'extraction du bitume des sables bitumeux. Pour cela, on pompe au moyen d'une drague suceuse la boue que l'on transporte jusqu'à une zone de déchargement. La boue contient 33 à 35% de matière solide en suspension. Le tuyau de déchargement (1) est positionné sur une levée de terre (2) au-dessus du niveau (3) que la boue atteint une fois traitée. On utilise le polymère de l'exemple 3 décrit dans le document US 2010/0105976 à une concentration de 3gr/litre. Les essais de laboratoire montrent que l'on a besoin de 420 grammes de floculant par tonne de matière sèche pour obtenir une très bonne floculation sans épaississement sous forme de masse visqueuse (rigide ou semi-rigide). Industriellement, sur le tuyau (1) de diamètre 300mm dans lequel la boue circule à une vitesse de 1.4 m/seconde, on injecte le floculant (4) à 30 mètres du point de sortie et on règle le volume visuellement de manière à obtenir à la sortie du tuyau, une eau parfaitement claire et de gros flocs bien formés. La quantité optimum de floculant (ou consommation) est de 830 grammes par tonne. On constate qu'une sur-floculation, c'est-à-dire un ajout d'une quantité supérieure d'agent floculant, rend la boue consistante, comme un gel, et que cela diminue la quantité d'eau extraite de la boue. Exemple comparatif 2 : Dans ce cas, la quantité de floculant est divisée en 2 parties égales injectées à 60 mètres et 20 mètres de la sortie. Avec les mêmes critères la quantité optimum de floculant est de 760 10 grammes par tonne. Exemple 3 (fig 2) : Dans ce cas, on creuse à l'aide d'une pelle mécanique un trou (5) carré lm par lm de 1,5 mètre de profondeur. On injecte la boue mélangée à proximité du fond du trou à une distance 15 du fond inférieure à celle de sa profondeur au moyen d'une tuyauterie (6) positionnée verticalement. Le floculant est injecté à 10 mètres du point de sortie. On constate que la boue forme progressivement un cratère dans l'excavation où elle flocule à faible vitesse par phénomène de bouillonnement et se répand à la sortie du cratère avec une 20 eau très claire et une quantité optimum de floculant de 540 grammes par tonne. Exemple 4 (fig 3) : L'exemple 3 est reproduit à la différence près que le floculant est réparti à 50% à 10 mètres du point de sortie et 50% au fond du cratère par un tuyau fixé sur le tuyau principal. La 25 quantité optimum de floculant est réduite à 490 gramme par tonne. Lorsque 70% du floculant est ajouté à 10 mètres du point de sortie et que 30% l'est au fond du cratère, alors la quantité optimum de floculant est réduite à 460 gramme par tonne. Exemple 5 (fig 4) : 30 Le floculant est entièrement envoyé par une canalisation indépendante au fond du cratère. La consommation constatée est 650 grammes/tonne. Il semble qu'une partie du floculant n'ait pas été bien mélangée et constitue un excès bien que les focs soient bien formés à ce dosage. Cependant ce procédé reste moins efficace qu'un mélange en ligne suivi d'une floculation en cratère. De plus on observe une tendance à colmater rapidement le trou par dépôt de solide. 35 Exemple 6 (fig 5) : Dans ce cas, on injecte la boue mélangée directement sur le sol et on constate que rapidement un cratère plus ou moins profond suivant le type de boue se forme et la consommation suivie visuellement diminue avec le temps et la profondeur du cratère. La consommation, au départ 40 de 810 grammes/ tonne, diminue lorsque le cratère a environ un mètre de hauteur à 50 grammes par tonne et diminue encore lentement lorsque des couches successives sont mises en place. On s'aperçoit aussi que, même si les couches mises en place ont séché, la remise en route du 5 matériel casse la couche sèche et forme très rapidement un nouveau cratère donnant des résultats semblables. L'augmentation de ce cratère à 3-4 mètres de hauteur ne change pas en pratique, l'effet de floculation. La quantité et nature du floculant doivent être adaptées en fonction de chaque type de boue. La quantité utilisée ne doit pas conduire à un épaississement et à une rigidification de la boue dans le cratère. L'homme de l'art pourra faire varier d'une manière technique les différents paramètres : - Vitesse du liquide, - Points d'introduction, - Concentration du polymère, - Profondeur du cratère, - Hauteur de couche permettant un bon séchage... pour optimiser le procédé.20 REVENDICATIONS1/ Procédé amélioré de traitement de boue par floculation selon lequel : - on transporte la boue à traiter dans une canalisation, - on injecte ensuite au moins un agent floculant dans la canalisation transportant la boue à traiter, - on mélange alors la boue avec ledit agent floculant, - enfin, on transporte puis on décharge le mélange obtenu dans une excavation naturelle ou artificielle à une distance du fond de ladite excavation inférieure à celle de sa profondeur. 2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on forme l'excavation directement dans un sol sur lequel aucune boue n'a encore été étalée. 3/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on forme l'excavation dans tout ou partie de l'épaisseur de la couche de boue lorsque celle-ci est déjà présente et avantageusement au-delà, dans le sol naturel. 4/ Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la canalisation dans laquelle on transporte et depuis laquelle on décharge le mélange est positionnée verticalement au moins dans sa partie terminale. 5/ Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on injecte l'agent floculant à proximité de l'extrémité libre de la canalisation, préférentiellement à une distance depuis l'extrémité libre comprise entre 10 à 200 fois le diamètre interne de la canalisation. 6/ Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on injecte en parallèle au moins un agent floculant directement dans l'excavation. 7/ Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'on injecte la majorité de l'agent floculant directement dans l'excavation. 8/ Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'agent floculant est choisi dans le groupe comprenant l'acide acrylique, l'ATBS (2-acrylamido-2- methylpropanesulfonic acide), le chlorure de diallyl diméthyl ammonium (DADMAC) l'acrylate de dialkylaminoéthyle (ADAME) et le méthacrylate de dialkylaminoéthyle (MADAME) ainsi que leurs sels acidifiés ou quaternisés, la N-vinyl pyrrolidone, les polyoxydes d'éthylène, la polyéthylène amine.