Etudes des filtres a bandes pour la deshydratation mecanique des boues residuaires urbaines

Au 1er janvier 2006, afin de se conformer à la réglementation européenne sur la collecte et l’épuration des eaux usées, toutes les agglomérations de 2000 à 15000 habitants devront collecter et traiter leurs eaux usées avec un procédé incluant un traitement secondaire. Par conséquent, la production de boues activées urbaines devrait doubler, pour atteindre 1,5 millions de tonnes de matières sèches par an d’ici 2010. La gestion des boues devient dès à présent un problème environnemental et économique majeur.

Par ailleurs, en France, depuis le 1er janvier 2002, seules deux filières d’élimination des boues sont légalement autorisées : l’épandage et l’incinération. Dans les deux cas, une étape de déshydratation mécanique est généralement préconisée. La bonne maîtrise de ces opérations mécaniques permet souvent d’améliorer, de manière significative, le traitement des boues en termes de coût et de qualité. Dans ce contexte, la société E.M.O. (Equipements et Machines de l’Ouest), P.M.E. spécialisée dans la conception et la vente d’équipements pour station d’épuration, a financé, dans le cadre d’une convention CIFRE, cette thèse qui vise à mieux comprendre et décrire la déshydratation par filtre à bandes appliquée aux boues activées.

Pour déshydrater ce type de matériau, trois techniques sont couramment utilisées : le filtre à bandes, la centrifugeuse et le filtre à plateaux. Si le filtre à bandes et le filtre à plateaux ne s’adressent généralement pas au même type de station d’épuration, les centrifugeuses, quant à elles, concurrencent fortement les filtres à bandes. L’objectif majeur de cette étude réalisée au Laboratoire de Thermique, Energétique et Procédé (LaTEP) est de mettre en évidence et d’analyser les interactions qui existent entre les boues et les paramètres de fonctionnement des filtres à bandes dans le but d’améliorer leurs performances. L’objectif à plus long terme étant d’atteindre des siccités proches de celles obtenues par les centrifugeuses.

Le procédé de traitement des eaux usées par boues activées reprend de façon industrielle l’effet « auto-épurateur » des rivières. Ce procédé, qui consiste à mettre en contact dans un réacteur biologique aéré les eaux chargées d’éléments polluants avec des flocs de micro-organismes en suspension, est actuellement le plus utilisé pour l’épuration des eaux usées urbaines. Il s’effectue dans des stations d’épuration (STEP) dont l’organisation est généralement schématisée de la façon suivante .

Dans un premier temps, pour retenir les matières de tailles importantes (quelques centimètres) contenues dans l’eau un dégrillage ou un tamisage est effectué. Ensuite, les sables sont éliminés par décantation (dessablage) et les graisses par flottation et écrémage (dégraissage). L’ensemble de ces opérations constitue la phase de prétraitement. Les déchets générés par cette étape ne rejoignent généralement pas la filière de traitement des boues, exceptées les graisses qui peuvent, si la station est équipée d’un digesteur, être injectées dans ce dernier.

Les eaux usées arrivent ensuite dans le décanteur primaire où les particules de densité supérieure à celle de l’eau (qui n’ont pas sédimentées dans le dessableur) sont éliminées par décantation. Cette étape permet d’éliminer classiquement 70% des particules en suspension et permet de réduire, ainsi, significativement la pollution à l’entrée du bassin d’aération. Les boues récupérées sont usuellement appelées boues primaires. Elles sont riches en matières minérales et généralement très fermentescibles. Elles peuvent être dirigées vers un atelier de déshydratation où elles sont souvent mélangées aux boues secondaires (digérées ou non) pour constituer les boues mixtes. Sur les installations possédant un digesteur, elles peuvent être stabilisées par voie anaérobie. Pour des raisons principalement financières, les petites stations d’épuration ne possèdent pas de décanteur primaire, les eaux usées subissent alors, après le prétraitement, l’épuration biologique dans le bassin secondaire. En entrée de la filière de déshydratation des boues, il y a, dans ce cas, uniquement des boues secondaires.

Le surnageant du décanteur primaire est ensuite envoyé dans le bassin d’aération. Dans ce réacteur biologique des micro-organismes (initialement introduits par ensemencement) s’agglomèrent sous forme de flocs et se développent en utilisant la pollution comme substrat nécessaire à la production d’énergie vitale et à la synthèse de nouvelles cellules vivantes. Une partie de ces éléments polluants, qui ne sont pas dégradés biologiquement, peut être adsorbée et incorporée aux flocs des boues. La suspension réactionnelle est ensuite séparée dans un clarificateur (ou décanteur secondaire). Les boues (secondaires) prélevées au fond du clarificateur sont ensuite soumises à un traitement qui passe souvent par une étape de déshydratation.

Le surnageant du décanteur secondaire est rejeté généralement dans les rivières avec un abattement habituel de 95 % de la DBO5. Cependant, si la pollution carbonée est considérablement réduite par rapport à l’entrée dans la station, il n’en est pas de même pour le phosphore et l’azote. Le traitement aérobie élimine environ 20% de la pollution azotée, ce n’est généralement pas suffisant pour répondre aux normes de rejet . Un traitement tertiaire est alors souvent nécessaire.

L’élimination de l’azote peut s’effectuer par voie biologique avec l’alternance d’une phase d’anoxie et d’une phase aérobie. La pollution est alors transformée en azote gazeux qui est évacué dans l’atmosphère. La pollution phosphorée peut être éliminée par voie biologique ou physico-chimique (ajout de sels de fer ou d’aluminium) qui provoquent la précipitation et la décantation des phosphates. Dans les deux cas, le phosphore se retrouve dans les boues produites. Ce traitement tertiaire peut être réalisé en adaptant l’aération et le temps de séjour dans le bassin d’aération ou en ajoutant des bassins (anoxie et/ou anaérobie) dans la chaîne de traitement.

Dans le cas où le traitement doit être encore plus poussé, un traitement quaternaire peut être envisagé avec des procédés tels que l’ultra-filtration.

La filière de traitement des boues
Les boues extraites des décanteurs restent fortement hydratées (98-99% d’eau). Afin de réduire leur volume et éventuellement de les stabiliser, elles peuvent subir divers traitements spécifiques au cours de leur traitement .

Généralement, la première étape consiste à épaissir les boues. Cet épaississement peut être statique (décantation) ou dynamique (flottation, égouttage ou centrifugation après conditionnement). On obtient, alors, une boue dite liquide dont la siccité est comprise entre 2 et 12%. Cette boue peut être dans certains cas épandue en l’état (OTV, 1997).

Afin de limiter les risques de fermentation et de développement d’odeurs nauséabondes, une étape de stabilisation peut être mise en place. Plusieurs procédés existent : la stabilisation peut être biologique (on parle alors de digestion aérobie ou anaérobie), ou chimique (traitement au sel de nitrite). Dans le cas de la digestion anaérobie, le méthane est récupéré et peut servir d’apport énergétique au fonctionnement de la station. Les boues obtenues après digestion (boues digérées) sont généralement fortement minéralisées et possèdent alors des caractéristiques, pour la déshydratation mécanique, différentes de celles des boues secondaires, mixtes, ou primaires.

Préalablement à leur déshydratation mécanique, les boues doivent être conditionnées. L’ajout de floculants minéraux ou organiques permet la formation de flocs qui facilitent significativement la séparation des matières solides avec la phase aqueuse. Le conditionnement peut dans certains cas être réalisé par voie thermique.

Les boues sont ensuite déshydratées mécaniquement dans un filtre à bandes, un filtre à plateaux ou bien une centrifugeuse. Le filtrat récupéré est généralement recyclé en tête de station afin d’être à nouveau épuré. Les boues issues de ces procédés de déshydratation sont soit pâteuses (14-25% de siccité), soit solides (plus de 25% de siccité dans le cas du filtre à plateaux).

L’étape de stabilisation (ou hygiénisation) peut aussi être réalisée sur ces boues déshydratées : par voie biologique (compostage), par voie chimique (chaulage), ou par séchage. Les boues chaulées (siccité >30%) représentent 30% de la matière sèche produite en France tandis que les boues compostées restent encore peu courantes (2% du tonnage) au même titre que les boues séchées .

Table des matières

INTRODUCTION
I. CADRE GENERAL
I.1. CONTEXTE GENERAL
I.1.1. Origine des boues activées urbaines
I.1.1.1. Procédés d’assainissement des eaux urbaines
I.1.1.2. La filière de traitement des boues
I.1.1.3. Composition des boues
I.1.2. Principales filières d’élimination des boues de stations d’épuration en France
I.1.2.1. L’épandage des boues
I.1.2.2. L’incinération des boues
I.2. DESHYDRATATION MECANIQUE DES BOUES URBAINES
I.2.1. Principaux appareils de déshydratation mécanique des boues urbaines
I.2.1.1. Les filtres à bandes
I.2.1.2. Les décanteuses centrifugeuses
I.2.1.3. Les filtres à plateaux
I.2.2. Choix d’une technique de déshydratation mécanique des boues urbaines
I.2.3. Paramètres caractéristiques des boues pouvant influencer leur déshydratation
I.2.3.1. Influence du fonctionnement de la station d’épuration
I.2.3.2. Importance de la composition des boues
I.3. CONCLUSION
I.4. BIBLIOGRAPHIE
II. ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
II.1. BREF HISTORIQUE DU FILTRE A BANDES
II.2. APPROCHE GLOBALE
II.2.1. Etudes réalisées sur des filtres à bandes industriels
II.2.2. Prédiction des performances d’un filtre à bandes à partir d’essais sur centrifugeuses
II.2.3. Prédiction des performances d’un filtre à bandes à partir d’essais en cellule de filtration compression
II.2.3.1. Mesure en cellule de filtration compression
II.2.3.2. Prédiction des performances des filtres à bandes avec la CFC
II.3. ETUDE DES DIFFERENTES ZONES D’UN FILTRE A BANDES
II.3.1. Le conditionnement
II.3.2. Débit d’entrée des boues dans un filtre à bandes
II.3.3. La zone de drainage par gravité
II.3.3.1. Approche empirique
II.3.3.2. Approche basée sur l’équation de la filtration
II.3.3.3. Conclusion
II.3.4. Le premier rouleau
II.3.5. La zone en S
II.3.5.1. Tension de toile
II.3.5.2. Pression de filtration
II.3.5.3. Le cisaillement
II.3.5.4. Simulation de la zone de pressage en S grâce à des pilotes de laboratoire
II.3.5.5. Perspectives de modélisation de la zone en S
II.3.5.6. Conclusion
II.4. CONCLUSION
II.5. NOMENCLATURE
II.6. BIBLIOGRAPHIE
CONCLUSION

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