VI-TRAITEMENT DES BOUES I) Généralités :
I.1. Origine des boues I.2. Objectifs visés
II) Classification : III) Nature des boues :
Facteurs caractérisant la nature des boues Facteurs caractérisant la structure des boues
IV) Traitement des boues IV-1 Stabilisation : IV-1.1. Stabilisation chimique IV-1.2. Stabilisation aérobie IV-1.3. Digestion anaérobie IV-2 Conditionnement et Déshydratation: IV-2.1. Procédés de conditionnement Conditionnement chimique Conditionnement thermique IV-2.2. Déshydratation Filtration Centrifugation Lit de séchage V) Destination finale des boues : V-1 Valorisation agricole et recyclage V-2 Mise en décharge V-3 Incinération VI) Conclusion : Récapitulatif des voies d’élimination des boues
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I) GENERALITES I.1 Origine des boues Une station d’épuration peut produire, à l’origine, trois grandes catégories des boues:
Boues de traitement
Boues de traitement
Boues de traitement
primaire
physico-chimiques
biologique
Lors du traversé du
Lors des réactions
Lors du traitement
décanteur primaire
physicochimiques de
bactérien, clarificateur
coagulation, floculation Boues : Effluents liquides fortement chargés
en matières solides (avec des
concentrations en solide de 1 à 10 %, soit 10 à 100 g/l). Constituées de matière organique fraîche, très fermentescible, et de matières minérales dissoutes ou insolubles. 2
I.2 Objectifs visés Réduire leur teneur en eau : du simple épaississement par gravité en passant par une déshydratation partielle (moins de 80 % d’eau), jusqu’à un séchage presque total (5 à 10 % d’eau), Stabiliser la matière organique : en diminuant sa fermentescibilité pour réduire ou même supprimer les mauvaises odeurs, Hygiéniser : si nécessaire, en détruisant les micro-organismes pathogènes.
Définir une filière de traitement de ces boues passe par deux étapes essentielles : 1) définir leurs caractéristiques chimiques et physiques 2) rechercher la voie la plus adaptée pour une destination finale prévue (valorisation, stockage, destruction) 3
II) CLASIFICATION Les différentes classes des boues : Boue organique hydrophile : Classe la plus étendue. Les difficultés de déshydrater ces boues sont dues à la présence de colloïdes hydrophiles. Ex. : boues provenant du traitement biologique d’eaux d’origine ERU ou ER des industries agro alimentaires, textiles , chimie organique, pétrochimie Boue huileuse hydrophobe : Présence d’huiles ou de graisses. Ces huiles sont en émulsions ou absorbées par les particules de boue. Ex. : eaux résiduaires de raffineries Boue minérale hydrophile : Ces boues contiennent des hydrophiles métalliques (précipités d’ions métalliques : Al, Fe, Zn, Cr) Ou des floculants minéraux (sels ferreux, ferriques, sels d’aluminium) Ex. : E.R des industries de traitement de surface (décapace, anodisation, peinture), tanneries etc. 4
Boue minérale hydrophobe : Présence de : sables, limons, scories, sels cristallisés Ex. : E.R. de lavage de gaz de fumées (incinération ordures) Boue minérale hydrophile – hydrophobe : Ces boues contiennent principalement des matières hydrophobes contenant, elles mêmes, suffisamment de matières hydrophiles pour que l’influence défavorable de celles-ci en déshydratation deviennent prépondérante. Boue fibreuse : Boues généralement faciles à déshydrater Ex. : E.R. des industries papeteries, pâte à papier, cartonneries
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III) NATURE DES BOUES Facteurs caractérisant la natures des boues : Concentration en matières sèches (MS) (g/L) : Pour des boues liquides il est généralement proche de la teneur en matières en suspension (MES) déterminée par filtration ou centrifugation.
Teneur en matières volatiles (MV) : elle s’exprime en % massique des MS. Pour les boues organiques, elle est proche de la teneur en matières organiques (MO) et est caractéristique de la teneur en matières azotées.
Composition élémentaire : carbone et hydrogène : pour apprécier le degré de stabilité ou calculer le pouvoir calorifique azote et phosphore : pour apprécier la valeur agricole de la boue métaux : Fe, Mg, Al, Cr, Ca, Si
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Composition de l’eau interstitielle : substances dissoutes TAC, TA DCO, DBO5, pH, etc…
Aptitude à l’épaississement : Cette notion est fondamentale car l’élimination d’eau conduit à une réduction très sensible du volume.
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Aptitude à l’épaississement BOUES V0 H0
BOUES DESHYDRATEES Vf = Ve1 + Vs Hf
EAU Ve2
(Débits volumiques)
Pour les boues :
H0 = ? avec H0 = taux d’humidité initial des boues ρe et ρs = les masses volumiques de l’eau et du solide sec.
On pose ds : densité du solide avec V0 = ?
D’où : 8
Pour les boues déshydratées :
Hf = ? avec Hf= taux d’humidité final des boues ρe et ρs = les masses volumiques de l’eau et du solide sec.
Vf = ?
D’où :
Exercice d’application : A l’aide des deux formules précédentes calculer la réduction de volume lorsque le taux d’humidité passe de 95% à 90%. Les masses volumiques du solide et de l’eau sont respectivement de 1200 kg.m-3 et 1000 kg.m-3.
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D’où
On a donc
Application numérique :
d’où
Lorsque le taux d’humidité passe de 95 à 90%, le volume est ainsi réduit de moitié. L’aptitude à l’épaississement conditionne donc le volume des ouvrages à mettre en œuvre de façon très importante. 10
Facteurs caractérisant la structure des boues : Viscosité apparente : Elle permet d’évaluer la capacité d’une boue à prendre en masse en l’absence de brassage et à devenir fluide lors d’une agitation. C’est très utile pour la collecte et le transport.
Analyse granulométrique Nature de l’eau contenue dans la boue : eau libre facilement éliminable Eau contenue dans la boue
eau liée (eau capillaire, eau d’hydratation, eau cellulaire, eau chimiquement liée) nécessitant plus d’énergie.
La proportion d’eau libre et liée est déterminante pour le choix de la déshydratation. On l’évalue par « thermogravimétrie » : courbe de perte de poids d’eau en fonction du temps. 11
IV) TRAITEMENT DES BOUES Objectifs du traitement : - La réduction du volume des boues - La réduction voire l’élimination du pouvoir fermentescible
Filières de traitement • Stabilisation (bloquer les fermentations) • Conditionnement et Déshydratation • Disposition ou incinération
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IV-1 Stabilisation : Mise en œuvre sur des boues riches en matière biodégradable. Assurer la réduction du caractère fermentescible des boues organiques, pour éviter les nuisances, notamment l’émission de mauvaises odeurs lors de leur stockage et de leur traitement de déshydratation.
Les boues produites à l’état liquide peuvent être stabilisées par des procédés de traitement :
chimiques
Biologiques (aérobies ou anaérobies)
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IV-1.1. Stabilisation chimique Principe : élévation du pH L’adjonction de chaux éteinte (sous forme de lait de chaux) soit en amont d’un épaississeur de boues pour y stopper les fermentations soit sur les boues liquides épaissies avant valorisation agricole Les autres réactifs possibles sont : le chlorure ferrique et les polymères organiques. Même avec des fortes doses de chaux allant jusqu’à 30 % en masse de la matière sèche c’est une stabilisation temporaire, qui n’autorise pas un stockage de longue durée. D’où procédés biologiques de stabilisation 14
IV-1.2. Stabilisation aérobie (digestion aérobie) Principe : Les boues sont aérées et non nourries dans des ouvrages semblables aux bassins d’aération. La biomasse évolue alors en décroissant : l’ensemble se minéralise. Le taux de réduction des matières organiques est fonction : de la durée de stabilisation, de la charge volumique, de la température et de la nature de la boue. Il varie ainsi entre 15 à 25 % (valeur maximale).
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IV-1.3. Digestion anaérobie Principe : fermentation méthanique des boues dans des cuves fermées, à l’abri de l’air, nommées digesteurs Taux de réduction des matières organiques : de 45 à 50 % en masse. Mécanisme de la dégradation des matières organiques : 2 phases coexistent
Liquéfaction (Phase acide) : les matières organiques (protéines, graisses, glucides) sont dégradées par des enzymes sécrétées par certaines bactéries et converties en molécules plus simples : acides aminés, acides gras et surtout acides volatils (formique, acétique, propionique, butyrique...) Gazéification (Phase méthanogène) : les acides volatils sont consommés par d’autres micro-organismes (bactéries méthaniques) et transformés en dioxyde de carbone et méthane, produits ultimes de la digestion. 16
Une bonne digestion des boues se caractérise par : — un pH de la masse boueuse compris entre 6,8 et 7,8 ; — une concentration en acides volatils dissous inférieure à 1 g/L ; — une bonne production de gaz contenant 70 % en volume de méthane, qui constitue en fait le véritable « baromètre » d’une installation de digestion.
On estime, dans le cas des eaux usées urbaines et dans de bonnes conditions de marche du digesteur, la production à : — 800 à 1 000 NL de gaz par kilogramme de matière organique détruite (NL = normolitre) ; — ou encore à 400 – 500 NL de gaz par kilogramme de matière organique introduite.
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Digesteur unique à moyen charge (doc. Degrémont) : Charge : 1,5 à 2 kg MVS/ (m3.j), temps de séjour : 20 à 25 j, à 35 °C
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The anaerobic sludge digestion takes place in the highly visible digesters. Digesters (source: klaerwerk-online.de) 19
IV-2 Conditionnement et Déshydratation
IV-2.1. Procédés de conditionnement Principe : La rupture de la stabilité colloïdale des boues
Conditionnement chimique On utilise : sels ferriques [FeCl3, FeSO4, Fe2(SO4)3] et conjointement avec la chaux sels d’aluminium [Al2(SO4)3 18H2O, AlCl3)]
Exemple : pour les boues biologiques, le conditionnement varie suivant la teneur en matières organiques des boues entre 3 et 10 % en masse de FeCl3 et 6 à 30 % de Ca(OH)2
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Conditionnement thermique Cuisson par des procédés technologiquement différents : (procédés Porteous, Farrer, Von Roll)
• La boue est chauffée à une température variant entre 160 et 210 °C. • Sa structure est irréversiblement transformée en libérant la majeure partie de l’eau liée ou combinée. • Le temps de cuisson varie de 30 à 90 min.
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IV-2.2. Déshydratation La boue même stabilisée, contient beaucoup d’eau : il faut la déshydrater. Pour ce faire, de très nombreux procédés sont disponibles : Filtre sous vide Un tambour tournant recouvert d’une toile servant de support de filtration. Dépression : ~ 500 mm de mercure Filtre presse Surpression : forte d’environ 5-15 bars est appliquée. Filtre à bande (table d’égouttage) Une toile filtrante constitue une bande d’entraînement. La boue s’égoutte, puis elle est pressée, et enfin, elle subit des cisaillements de tous ordres.
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Centrifugation La centrifugation sera employée lorsque le colmatage des autres procédés est trop rapide : cela correspond aux boues à forte compressibilité. Lit de séchage Les boues reposent sur un sol artificiel composé, de haut en bas, de 2 couches : - une couche de sable de 10 à 20 cm d’épaisseur (granulométrie : 0,5 à 1,5 mm) ; - une couche de gravillons à 30 cm (granulométrie 15-25 mm) ; - un système de drains à la base de cet ensemble assure l’évacuation des eaux.
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Déshydratation des boues par filtre presse à plateaux.
Les boues sont introduites avec le floculant (polyélectrolyte) dans un mélangeur. Les boues sont alors comprimées entre une série de plateaux.
Les filtrats provenant de ce pressage sont renvoyés en tête de l’installation pour être traités. La presse à boues est contrôlée automatiquement à partir du coffret de commande et de protection.
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Déshydratation des boues par filtre presse à plateaux. Le principe de fonctionnement
1 – Plateaux verticaux 2 – Vérin hydraulique 3 – Chambre de filtration 4 – Toiles filtrantes 5 – Alimentation des boues 6 – Conduits internes d’évacuation du filtrat
Différentes étapes d’un cycle de filtration sur filtre presse 1. 2. 3. 4.
Montage et assemblage du filtre Filtration Débatissage Lavage des toiles
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Déshydratation des boues par filtre à bande. Siccité obtenue : entre 16 et 22 %.
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Principe de fonctionnement de la déshydratation des boues par filtre à bande. 27
AJOUTER 1 schéma de CENTRIFUGEUSE.
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Epaississement des boues par une table d'égouttage installée au sommet d'un silo. On obtient des boues liquides épaissies. Siccité obtenue : entre 5 à 7 % 29
V) Destination finale des boues Actuellement trois destinations ultimes sont possibles et pratiquées à l’échelle industrielle :
la valorisation quand elle est possible des boues : • réutilisation agricole (par épandage des boues liquides, après compostage ou après séchage thermique sous forme de granulés) ; • recyclage des boues industrielles ; la mise en décharge, en respectant les nouvelles directives européennes ; l’incinération des boues seules ou éventuellement combinées aux ordures ménagères.
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V-1 Valorisation agricole et recyclage Elle est largement pratiquée pour les boues urbaines, mais aussi sur certaines boues industrielles (agroalimentaires, papeterie).
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Épandage : Les boues peuvent être épandues soit sous forme liquide (après épaississement préliminaire), soit sous forme plus ou moins déshydratée à l’état pâteux ou solide.
Épandage
de
boues
liquides à l’aide d’une rampe adaptée sur une tonne à lisier.
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Compostage : Appliqué sur des boues urbaines déshydratées conjointement avec d’autres déchets organiques: soit des matériaux secs carbonés (ordures ménagères, paille, sciures, écorces et déchets forestiers), soit des matériaux humides et azotés. Il s’agit d’une décomposition aérobie thermophile des matières organiques. Le mélange soumis au compostage doit avoir une humidité de 50 à 60 %, un rapport C/N n’excédant pas 35 et doit être exempt de substances toxiques. La digestion thermophile engendre une élévation de température à 45-70 °C, qui détruit les germes pathogènes éventuellement présents dans les boues ; le compostage apporte donc un effet de stérilisation.
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Séchage thermique : Une seconde solution pour aboutir à un produit fertilisant parfaitement stérile livré sous forme de granulés (à 85-90 % de siccité)
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V-2 Mise en décharge Destination finale la plus fréquente malgré des coûts de plus en plus élevés et des réglementations européennes plus draconiennes (métaux lourds). Arrêté ministériel du 18/12/1992 et de décret du 15/5/1997 fixent les nouvelles règles applicables aux décharges de classe 1. Ces décharges sont destinées à stocker : — les résidus de stations d’épuration, d’eaux industrielles (sauf traitement de surface) et les résidus de l’incinération ; — les boues issues de l’épuration d’effluents de traitement de surface à faibles teneurs en chrome hexavalent et cyanure. Ces déchets devront satisfaire aux contraintes : — siccité minimale 30 % de MS, — pH compris entre 4 et 13 ; — caractère minéral et non fermentiscible, 35
V-3 Incinération Il s’agit en général de la solution d’élimination considérée comme le dernier recours,
à
n’utiliser
que
si
les
autres
voies
sont
techniquement
ou
réglementairement impossibles :
- boues non valorisables, car non conformes aux la normes; - mise en décharge interdite ou trop coûteuse, car site trop éloigné du lieu de production
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VI) Conclusion : Récapitulatif des voies d’élimination des boues
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