Brevet FR3048966A1 — publié le 20170922

Procédé de traitement optimisé de boues biologiques municipales ou industrielles 1. Domaine de l'invention Le domaine de l'invention est celui du traitement de boues organiques provenant du traitement des eaux usées municipales ou industrielles notamment en vue d'en réduire le volume. 2. Art antérieur Les eaux usées municipales ou industrielles sont couramment traitées afin de les rendre propres à leur rejet dans le milieu naturel (rivière, plan d'eau...). Divers traitement d'eaux par voie biologique sont mis en oeuvre à cet effet. Leur mise en oeuvre conduit à la production de boues organiques. Le volume de boues organiques ainsi produites peut être important. Leur évacuation est d'autant plus facile, et leur coût de transport d'autant plus faible, que leur volume est faible. Réduire le volume de ces boues représente donc un enjeu économique important. Il existe par conséquent des techniques de traitement de boues qui visent en particulier à réduire leur volume. Au rang de ces techniques figurent les procédés mécaniques de déshydratation de boues. Ces procédés permettent de produire des boues déshydratées avec une siccité comprise entre 10 et 35 % en matières sèches. Ces procédés nécessitent toutefois l'emploi de quantités parfois importantes de produits chimiques de conditionnement tels que des polymères organiques qui représentent un poste de coût important et induisent la production de boues traitées contenant du polymère. Au rang de ces techniques figurent également les procédés de conditionnement thermique de boues. Le conditionnement thermique consiste à traiter les boues dans un réacteur sous une pression comprise entre 5 et 25 bars, à une température comprise entre 150°C et 250°C, avec un temps de séjour dans le réacteur compris entre 20 et 60 minutes. Ces procédés permettent de produire des boues déshydratées avec une siccité comprise entre 40 et 60 % en matières sèches sans ajout de réactif chimique. Ils sont toutefois très peu utilisés dans la mesure où leur mise en oeuvre conduit à la production d'un effluent liquide très chargé en matière organique non biodégradable, donc très difficile à éliminer, et de générer des molécules très malodorantes. En 3048966 2 outre, le chauffage des boues est énergivore. Une autre technique de traitement de boues consiste à faire subir aux boues successivement une digestion, une hydrolyse thermique puis une déshydratation. Cette déshydratation génère la production de boues déshydratées 5 et d'un jus de déshydratation qui est recirculé à l'entrée de la digestion. La digestion conduit à la production de biogaz. Une telle technique permet de réduire de manière importante le volume des boues tout en produisant du biogaz. Elle peut néanmoins encore être améliorée. En effet, elle nécessite un digesteur de volume important et donc de 10 coût élevé, et de recirculer le jus de déshydratation dans le digesteur pour le traiter. 3. Objectifs de l'invention L'invention a notamment pour objectif d'apporter une solution efficace à au moins certains de ces différents problèmes. 15 En particulier, selon au moins un mode de réalisation, un objectif de l'invention est d'optimiser le traitement de boues organiques provenant du traitement d'eaux municipales ou industrielles. Notamment, l'invention a pour objectif, selon au moins un mode de réalisation, de fournir une technique de traitement de telles boues qui permettent 20 d'en réduire efficacement le volume. Un autre objectif de l'invention est, selon au moins un mode de réalisation, de fournir une telle technique qui permette de réduire le coût du traitement des boues. Un autre objectif de l'invention est, selon au moins un mode de réalisation, 25 de fournir une telle technique qui permette de réduire la taille des installations mises en oeuvre à cet effet, au moins en partie. Un autre objectif de l'invention est, selon au moins un mode de réalisation, de fournir une telle technique qui permette de réduire la consommation énergétique. 30 Un autre objectif de l'invention est, selon au moins un mode de réalisation, de fournir une telle technique qui permette de réduire la consommation en réactif chimiques. Un autre objectif de l'invention est, selon au moins un mode de réalisation, 3048966 3 de fournir une telle technique qui permette d'éviter les nuisances olfactives. Un autre objectif de l'invention est, selon au moins un mode de réalisation, de fournir une telle technique qui soit simple et/ou efficace. 4. Présentation de l'invention 5 Pour ceci, l'invention propose un procédé de traitement de boues organiques comprenant au moins les étapes suivantes : une étape d'hydrolyse thermique desdites boues dans un réacteur d'hydrolyse thermique produisant des boues hydrolysées ; une étape de production de vapeur de flash comprenant l'introduction 10 desdites boues hydrolysées dans un réacteur de flash ; une étape de digestion des boues hydrolysées provenant de ladite étape de production de vapeur de flash produisant des boues digérées ; une étape de chauffage desdites boues digérées, ladite étape de chauffage comprenant une mise en contact desdites boues digérées 15 avec ladite vapeur de flash ; une étape de déshydratation mécanique des boues digérées réchauffées provenant de ladite étape de chauffage produisant des boues au moins en partie déshydratées. Ainsi, l'invention repose sur une approche originale qui consiste à traiter 20 des boues en leur faisant subir une hydrolyse thermique, une digestion et une déshydratation mécanique, les boues subissant une décompression rapide entre l'hydrolyse thermique et la digestion pour produire de la vapeur de flash permettant de réchauffer les boues digérées préalablement à la déshydratation mécanique. 25 Une telle technique permet de réduire efficacement le volume des boues tout en réduisant la consommation d'énergie. En effet, le réchauffage des boues avant la déshydratation mécanique permet d'améliorer la désytradabilité des boues et ne requiert pas d'énergie extérieure au procédé dans la mesure où il est obtenu par mise en contact des boues avec la vapeur 30 de flash provenant de la décompression rapide des boues hydrolysées. Ce réchauffage permet également d'éviter l'utilisation de réactifs chimiques tels que du polymère pour améliorer la déshydratabilité des boues préalablement à 3048966 4 la déshydratation mécanique. Le fait de réaliser une hydrolyse thermique en amont d'une digestion permet d'améliorer la digestibilité des boues et ainsi de réduire la taille et donc le coût du digesteur. Ceci permet également d'augmenter la production de 5 biogaz. La technique selon l'invention ne produit pas de molécules malodorantes et ne génère en conséquence pas de nuisance olfactive. La technique selon l'invention ne génère également pas de DCO soluble dure qui devrait être retournée dans le digesteur pour être traitée une 10 deuxième fois. Selon une variante possible, un procédé selon l'invention comprend une étape de stockage des boues digérées réchauffées préalablement à ladite étape de déshydratation mécanique. Selon une variante possible, un procédé selon l'invention comprend une 15 étape d'injection de réactif(s) chimique(s) et/ou d'origine naturelle dans lesdites boues réchauffées préalablement à ladite étape de déshydratation. L'injection de réactif(s) peut avoir lieu pendant le chauffage des boues ou après celui-ci. Dans ce cas, lesdits réactif(s) chimique(s) et/ou d'origine naturelle 20 pourront appartenir au groupe comprenant : les électrolytes ; les polyélectrolytes cationiques et/ou anioniques. Le fait d'injecter ces réactifs chimiques et/ou d'origine naturelle dans des boues réchauffées permet d'accroitre leur efficacité à quantité de réactif 25 égale ou de réduire leur quantité à efficacité égale. Les réactifs sont des épaississants (même action que la floculation) qui sont soit des électrolytes, c'est-à-dire des réactifs minéraux de type chlorure métallique (fer ou aluminium), par exemple FeCI3 ou FeSO4C, soit des polyélectrolytes cationiques et/ou anioniques (polymères). Dans le cas des 30 chlorures ferriques ont ajoute aussi souvent de la chaux pour ajouter une charge minérale, augmenter le pH et réduire le taux d'eau liée. Les polymères 3048966 5 peuvent aussi être naturels, c'est-à-dire obtenus à partir de produit(s) naturels), à base d'amidon par exemple, mais ils sont moins efficaces que les synthétiques. Selon une variante possible, ladite hydrolyse thermique est menée à une 5 température comprise entre 100 et 250 °C et une pression comprise entre 2 et 25 bars. Selon une autre variante possible : la température de ladite vapeur de flash est comprise entre 100 et 165°C ; 10 ladite étape de chauffage porte la température desdites boues digérées à entre 60 et 160°C ; la température desdites boues stockées est comprise entre 30 et 99°C. Selon une variante possible, ladite étape d'hydrolyse thermique est précédée d'une étape de déshydratation mécanique desdites boues. 15 La déshydratation mécanique des boues à hydrolyser permet de réduire la quantité d'eau quelles contiennent. L'eau ainsi extraite des boues n'a pas besoin d'être chauffée au cours de l'hydrolyse thermique dont la mise en oeuvre nécessite par conséquent moins d'énergie. La présente invention concerne également une installation de 20 traitement de boues organiques, ladite installation comprenant au moins : un réacteur d'hydrolyse thermique comprenant une entrée pour lesdites boues et une sortie de boues hydrolysées ; un réacteur de détente comprenant une entrée pour lesdites boues hydrolysées, une sortie de vapeur de flash et une sortie de boues 25 hydrolysées ; un réacteur de digestion comprenant une entrée reliée à ladite sortie de boues hydrolysées dudit réacteur de détente, une sortie de biogaz et une sortie de boues digérées ; 3048966 6 des moyens de chauffage desdites boues digérées, lesdits moyens de chauffage comprenant des moyens de mise en contact desdites boues digérées avec ladite vapeur de flash ; des moyens de déshydratation mécanique des boues digérées 5 réchauffées provenant desdits moyens de chauffage produisant des boues au moins en partie déshydratées. Selon une variante, une telle installation comprend des moyens de stockage desdites boues digérées réchauffées, lesdits moyens de stockage comprenant une sortie débouchant dans lesdits moyens de déshydratation 10 mécanique. Selon une variante, une telle installation comprend des moyens d'injection de réactif(s) chimique(s) et/ou d'origine naturelle dans lesdits moyens de stockage ou en amont de ceux-ci. 5. Liste des figures 15 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante de modes de réalisation particuliers, donnés à titre de simples exemples illustratifs et non limitatifs, et de dessins annexés parmi lesquels : la figure 1 illustre un schéma d'une installation de traitement de boue selon 20 l'invention ; la figure 2 illustre un logigramme d'un procédé selon l'invention. 6. Description de modes de réalisation particuliers 6.1. Installation On présente en relation avec la figure 1 un exemple d'installation de 25 traitement de boues selon l'invention. Ainsi que cela est représenté sur cette figure, une telle installation comprend un réservoir 1 de stockage de boues épaissies, ou non, en provenance d'une installation de traitement d'eaux municipales ou industrielles. Le réservoir de stockage 1 comprend une sortie qui est reliée à l'entrée de 30 premiers moyens de déshydratation mécanique 2. Les premiers moyens de déshydratation mécanique 2 comprennent dans ce mode de réalisation une trémie 21 dont la sortie est reliée à l'entrée d'une 3048966 7 centrifugeuse 22. Dans des variantes, les premiers moyens de déshydratation mécaniques 2 pourront par exemple comprendre un épaississeur à vis sans fin, une filtre à presse, une filtre à bande plutôt qu'une centrifugeuse. 5 La centrifugeuse 22 comprend une sortie qui est reliée à l'entrée d'un réacteur d'hydrolyse thermique 3. Le réacteur d'hydrolyse thermique 3 est relié à l'entrée 41 d'un réacteur de décompression 4, encore appelé réacteur de flash ou « flash tank » en langue anglaise. 10 Un tel réacteur de décompression 4 permet de ramener rapidement les boues hydrolysées provenant du réacteur d'hydrolyse thermique 3 à la pression atmosphérique dans le but de produire de la vapeur de flash. Le réacteur de décompression 4 comprend une sortie de boues hydrolysées 42 et une sortie de vapeur de flash 43. 15 La sortie de boues hydrolysées 42 est reliée à l'entrée 51 d'un réacteur de digestion 5, encore appelé digesteur. Le digesteur 5 comprend une sortie de biogaz 52 et une sotie de boues digérées 53. La sortie de boues digérées 53 est reliée à une canalisation 6 de boues 20 digérées. La sortie de vapeur de flash 43 du réacteur de décompression 4 est reliée à une canalisation de vapeur de flash 7. La canalisation 6 de boues digérées et la canalisation de vapeur de flash 7 sont reliées à des moyens de mise en contact 8 de la vapeur de flash avec les boues 25 digérées. Ces moyens sont des moyens de chauffage des boues digérées. Le dispositif de mise en contact 8 pourra permettre une mise en contact indirecte ou une mise en contact directe des boues digérées avec la vapeur de flash. Dans le cas d'une mise en contact indirecte, il pourra s'agir d'un échangeur 30 de chaleur, par exemple à plaques ou à tubes, comprenant une entrée de boues digérées, une entrée de vapeur de flash, une sortie de boues digérées réchauffées et une sortie de vapeur de flash refroidie au moins en partie condensée. Dans le cas d'une mise en contact directe, il pourra s'agir d'un mélangeur 3048966 8 dynamique ou statique comprenant une entrée de boues digérées, une entrée de vapeur de flash et une sortie d'un mélange de boues digérées réchauffées et de vapeur condensée au moins en partie. La sortie de boues digérées réchauffées de l'échangeur de chaleur ou du 5 mélangeur 8 est reliée à l'entrée 91 d'un réservoir de stockage 9. Il pourra être agité mécaniquement. Dans une variante, le dispositif de mise en contact 8 pourra ne pas être mis en oeuvre. Dans ce cas, la canalisation 6 de boues digérées et la canalisation de vapeur de flash 7 déboucheront directement dans le réservoir de stockage 9. Celui- 10 ci sera alors préférentiellement agité pour constituer un dispositif de mise en contact des boues digérées avec la vapeur de flash. L'installation comprend des moyens d'injection de réactif(s) chimique(s) et/ou d'origine naturelle 10 dans le réservoir de stockage 9 ou en amont de celui-ci préférentiellement dans le dispositif de mise en contact 8 lorsqu'il est 15 de type à mise en contact directe. Ces moyens d'injection pourront comprendre un ou plusieurs injecteurs reliés à une ou plusieurs réserves de réactifs. Ces moyens d'injection sont optionnels et pourront ne pas être mis en oeuvre. Le réservoir de stockage 9 comprend une sortie 92. La sortie 92 est reliée à l'entrée de deuxièmes moyens de déshydratation 20 mécanique 11. Les deuxièmes moyens de déshydratation mécanique 11 comprennent dans ce mode de réalisation une trémie 111 dont la sortie est reliée à l'entrée d'une centrifugeuse 112. Dans des variantes, les deuxièmes moyens de déshydratation mécaniques 25 11 pourront par exemple comprendre un filtre à presse, un filtre à bande plutôt qu'une centrifugeuse. La centrifugeuse 112 comprend une sortie 1121 qui débouche dans une zone d'entreposage de boues déshydratées 12. 6.2. Procédé 30 Un procédé de traitement de boues organiques selon l'invention va à présent être décrit en relation avec les figures 1 et 2. Un tel procédé comprend l'acheminement de boues organiques épaissies ou non en provenance du traitement d'eaux municipales ou 3048966 9 industrielles dans le réservoir de stockage 1. L'épaississement des boues sera par exemple obtenu par gravité (sédimentation) ou mécaniquement (égouttage dans des tables d'égouttage ou centrifugation). Les boues épaissies sont ensuite acheminées dans les premiers moyens 5 de déshydratation mécaniques 2 afin de subir une étape 200 de déshydratation mécanique visant à porter leur siccité entre 14 et 30%. Pour cela, les boues provenant du réservoir 1 sont acheminées dans la trémie 21 depuis laquelle elles alimentent la centrifugeuse 22. Les boues ainsi déshydratées sont acheminées dans le réacteur 10 d'hydrolyse thermique 3. Elles y subissent une étape 201 d'hydrolyse thermique à une température comprise entre 100 et 200°C, et à une pression comprise entre 2 et 25 bars. Les boues hydrolysées sont ensuite acheminées dans le réacteur de décompression 4 au sein duquel est mis en oeuvre une étape 202 de production 15 de vapeur de flash. Les boues hydrolysées y sont ramenées rapidement à la pression atmosphérique afin de produire de la vapeur de flash dont la température est comprise entre 100 et 165°C. La détente subie par les boues hydrolysées dans le réacteur de décompression permet de récupérer une partie de la chaleur de ces boues sous la forme de vapeur de flash. 20 Les boues hydrolysées en provenance du réacteur de décompression 4 sont acheminées dans le digesteur 5 dans lequel elles subissent une étape 203 de digestion. Cette étape de digestion conduit à la production de biogaz et de boues digérées. Cette digestion pourra être de type mésophile ou thermophile. Elle 25 pourra être réalisée en continu (alimentation de boues en continu du digesteur) ou en batch (alimentation du digesteur par volumes successifs de boues). L'hydrolyse thermique confère aux boues des propriétés rhéologiques qui permettent de travailler avec des concentrations deux à trois fois plus élevées dans le digesteur. En effet, les boues hydrolysées contiennent 30 davantage de DCO et sont partiellement désintégrées en déstructurant la 3048966 10 matière organique, fragmentant les agglomérats et lysant les membranes cellulaires. L'hydrolyse thermique augmente donc la digestibilité des boues. Sa mise en oeuvre préalablement à la digestion permet en conséquence de réduire le volume du digesteur tout en augmentant la production de biogaz. La 5 réduction du volume du digesteur permet de réduire de manière significative le coût global de l'installation de traitement des boues. L'hydrolyse thermique n'induit pas de production de molécules malodorantes ni celle de DCO soluble dure, c'est-à-dire non ou difficilement dégradable biologiquement, laquelle devrait être retournée dans le digesteur ou en 10 tête de l'installation de traitement pour être traitée, ce qui revient à traiter deux fois l'effluent. Les boues digérées sont acheminées dans l'échangeur de chaleur ou dans le mélangeur 8 de façon à subir une étape 204 de chauffage par mise en contact direct ou indirect avec la vapeur de flash provenant du réacteur de 15 décompression 4. Cette étape de chauffage permet de porter la température des boues digérées entre 60 et 160°C. Alternativement, la vapeur de flash pourra être injectée directement dans le réservoir de stockage 9 pour y réchauffer les boues. Les boues digérées réchauffées sont acheminées dans le réservoir de 20 stockage 9 dans lequel elles sont stockées et agitées (étape 205 de stockage). Les moyens d'injection pourront être mis en oeuvre pour permettre la mise en oeuvre d'une étape 206 d'injection de réactifs chimiques et/ou d'origine naturelle dans le réservoir 9. Ces réactifs pourront être injectés en amont du réservoir 9 notamment directement dans le mélangeur 8. 25 Les réactifs chimiques et/ou d'origine naturelle appartiennent au groupe comprenant : les électrolytes ; les polyélectrolytes cationiques et/ou anioniques. Les réactifs sont des épaississants (même action que la floculation) qui 30 sont soit des électrolytes, c'est-à-dire des réactifs minéraux de type chlorure 3048966 11 métallique (fer ou aluminium), par exemple FeCI3 ou FeSO4C, soit des polyélectrolytes cationiques et/ou anioniques (polymères). Dans le cas des chlorures ferriques ont ajoute aussi souvent de la chaux pour ajouter une charge minérale, augmenter le pH et réduire le taux d'eau liée. Les polymères 5 peuvent aussi être naturels, à base d'amidon par exemple, mais ils sont moins efficaces que les synthétiques. Ces réactifs chimiques et/ou d'origine naturelle permettront d'améliorer la déshydratabilité des boues. Le fait de chauffer les boues avant d'y injecter ces réactifs chimiques et/ou d'origine naturelle permet de catalyser par la 10 température des boues les réactions chimiques et/ou d'origine naturelle induite par ces réactifs. Les boues réchauffées sont ensuite acheminées dans les deuxièmes moyens de déshydratation mécaniques 11 afin de subir une étape 207 de déshydratation mécanique. Pour cela, les boues provenant du réservoir 9 sont 15 acheminées dans la trémie 111 depuis laquelle elles alimentent la centrifugeuse 112. Cette étape de déshydratation mécanique est menée à une température comprise entre 37 et 99°C. L'hydrolyse thermique permet non seulement d'augmenter la digestibilité des boues, elle permet également de récupérer de la vapeur de 20 flash pour réchauffer les boues avant leur déshydratation mécanique. Le fait de réaliser l'étape de déshydratation des boues sur des boues chaudes permet d'améliorer la déshydratation mécanique et d'augmenter en conséquence la siccité des boues produites à l'issue du traitement sans consommation supplémentaire de réactifs chimiques de conditionnement tel que du polymère 25 et sans apport d'énergie extérieure dans la mesure où le chauffage est réalisé avec la vapeur de flash produite in situe. Les boues ainsi déshydratées sont acheminées dans une zone d'entreposage de boues déshydratées 12. 6.3. Avantages 3048966 12 Une technique de traitement de boues organiques selon l'invention permet notamment : de réduire le volume des boues en atteignant une siccité finale comprise entre 25 et 55%; 5 de réduire la taille du digesteur et le coût inhérent à celui-ci ; d'augmenter la production de biogaz ; de réduire la consommation en énergie externe au procédé de traitement ; de réduire la consommation de réactifs chimiques et/ou biologiques à 10 efficacité égale ou d'augmenter la siccité finale des boues à quantité de réactifs égales ; d'éviter les nuisances olfactives ; d'éviter la production de DCO dure qui devrait être ultérieurement traitée. 15 REVENDICATIONS1. Procédé de traitement de boues organiques comprenant au moins les étapes suivantes : une étape d'hydrolyse thermique desdites boues dans un réacteur d'hydrolyse thermique produisant des boues hydrolysées ; une étape de production de vapeur de flash comprenant l'introduction desdites boues hydrolysées dans un réacteur de flash ; une étape de digestion des boues hydrolysées provenant de ladite étape de production de vapeur de flash produisant des boues digérées ; une étape de chauffage desdites boues digérées, ladite étape de chauffage comprenant une mise en contact desdites boues digérées avec ladite vapeur de flash ; une étape de déshydratation mécanique des boues digérées réchauffées provenant de ladite étape de chauffage produisant des boues au moins en partie déshydratées. 2. Procédé selon la revendication 1, comprenant une étape de stockage des boues digérées réchauffées préalablement à ladite étape de déshydratation mécanique. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 comprenant une étape d'injection de réactif(s) chimique(s) et/ou d'origine naturelle dans lesdites boues réchauffées ou en cours de chauffage préalablement à ladite étape de déshydratation. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel lesdits réactif(s) chimique(s) et/ou d'origine naturelle appartiennent au groupe comprenant : les électrolytes ; les polyélectrolytes cationiques et/ou anioniques. 3048966 14 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel ladite hydrolyse thermique est menée à une température comprise entre 100 et 250 °C et une pression comprise entre 2 et 25 bars. 5 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel : la température de ladite vapeur de flash est comprise entre 100 et 165°C ; ladite étape de chauffage porte la température desdites boues digérées à entre 60 et 160°C ; 10 la température desdites boues stockées est comprise entre 37 et 99°C. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel ladite étape d'hydrolyse thermique est précédée d'une étape de déshydratation mécanique desdites boues. 15 8. Installation de traitement de boues organiques, ladite installation comprenant au moins : un réacteur d'hydrolyse thermique comprenant une entrée pour lesdites boues et une sortie de boues hydrolysées ; 20 un réacteur de détente comprenant une entrée pour lesdites boues hydrolysées, une sortie de vapeur de flash et une sortie de boues hydrolysées ; un réacteur de digestion comprenant une entrée reliée à ladite sortie de boues hydrolysées dudit réacteur de détente, une sortie de biogaz et 25 une sortie de boues digérées ; des moyens de chauffage desdites boues digérées, lesdits moyens de chauffage comprenant des moyens de mise en contact desdites boues digérées avec ladite vapeur de flash ; 3048966 15 des moyens de déshydratation mécanique des boues digérées réchauffées provenant desdits moyens de chauffage produisant des boues au moins en partie déshydratées. 5 9. Installation de traitement de boues organiques selon la revendication 8, comprenant des moyens de stockage desdites boues digérées réchauffées, lesdits moyens de stockage comprenant une sortie débouchant dans lesdits moyens de déshydratation mécanique. 10 10. Installation de traitement de boues organiques selon la revendication 8 ou 9, comprenant des moyens d'injection de réactif(s) chimique(s) et/ou d'origine naturelle dans lesdits moyens de stockage ou en amont de ceux-ci.