FR2805180A1 - Procede de deshydratation de matieres solides divisees impregnees d'eau, et application aux boues provenant d'une station d'epuration d'eaux usees par voie biologique - Google Patents

Procede de deshydratation de matieres solides divisees impregnees d'eau, et application aux boues provenant d'une station d'epuration d'eaux usees par voie biologique Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un procédé de déshydratation de matières solides divisées imprégnées d'eau en vue de séparer partiellement la phase solide et la phase aqueuse. Le procédé visé par l'invention est du type dans lequel on fait subir auxdites matières une filtration mécanique, notamment dans un filtre-presse ou une centrifugeuse, de façon à obtenir un gâteau compacté de siccité déterminée. Le procédé se caractérise en ce que, préalablement à la filtration mécanique, on ajoute aux matières solides imprégnées d'eau des particules minérales contenant des espèces hydrophobes de silicate de magnésium, et des espèces hydrophiles de silicate de magnésium et d'aluminium et/ ou carbonate de magnésium et/ ou calcium. Le procédé de l'invention conduit à une réduction remarquable de la résistance spécifique à la filtration des matières solides.

Description

PROCEDE DE DESHYDRATATION DE MATIERES SOLIDES DIVISEES IMPREGNEES D'EAU, APPLICATION AUX BOUES PROVENANT D'UNE STATION D'EPURATION D'EAUX USEES PAR VOIE BIOLOGIQUE. L'invention concerne un procédé de déshydratation de matières solides divisées imprégnées d'eau en vue de séparer partiellement la phase solide et la phase aqueuse. Par "matières solides divisées", on entend des matières organiques ou minerales se présentant sous forme divisée, c'est-à-dire sous la forme de particules, grains, poudres, fibres .... L'invention s'applique en particulier aux boues, dites boues biologiques, se présentant, à la sortie des stations d'épuration d'eaux usees travaillant par voie biologique, sous la forme de flocs bactériens (agrégats micro-organismes éventuellement associés à un liant ou à des particules supports) ; elle permet de déshydrater la biomasse dans des conditions remarquables d'efficacité. L'invention peut également s'appliquer à d'autres types de matières solides divisées imprégnées d'eau pour en séparer la phase aqueuse, en particulier dans tous les cas où les matières solides de nature hydrophile ont une forte tendance à retenir l'eau et à former avec celle-ci un amalgame stable (fibres impregnées, gels ... ).
Les boues qui se présentent à la sortie des stations d'épuration biologique sous forme de flocs très hydrophiles sont difficiles à déshydrater par les procedés généralement utilisés dans ce type d'application (filtration par pressage ou centrifugation dont le coût à la tonne traitée est compatible avec l'application). On connaît des additifs pour améliorer cette déshydratation (chaux, polymères, FeC13, diatomée ....), mais la plupart de ces additifs sont peu efficaces : soit ils ne permettent pas d'obtenir de bons taux de siccité à la fin de la filtration, soit les quantités nécessaires sont relativement importantes ce qui représente un grave inconvénient dans cette application (augmentation notable des quantités de déchets solides produits). Les diatomées présentent une meilleure efficacité mais leur coût est élevé. Elles présentent un caractère abrasif préjudiciable aux équipements de transfert et de filtration (pompes, toiles filtrantes ... D'une façon plus générale, la déshydratation mécanique d'une matière hydrophile est difficile à obtenir, par mise en oeuvre des procédés traditionnels de filtration-pressage ou centrifugation en raison de la forte rétention des molécules d'eau par ce type de matière.
La présente invention vise à permettre de déshydrater, avec bonne efficacité (rapportée au poids ajouté), des matières solides divisées imprégnées d'eau par les procédés de filtration mécanique afin de bénéficier du faible coût de ce type de procédé rapporté à la quantité de matières traitées (comparé au coût d'autres procédés tels que déshydratation sous vide par exemple).
L'invention peut s'appliquer à tout type de matière divisée imprégnée d'eau, mais elle est tout particulièrement intéressante dans le cas des matières hydrophiles à l'égard desquelles les procédés de filtrations mécaniques sont généralement moins efficaces.
Par "déshydratation", on entend l'étape finale d'évacuation d'une partie de l'eau des matières (après, le cas échéant, clarification épaississement pour les boues biologiques).
L'efficacité d'un additif est classiquement qualifiée réduction de la "résistance spécifique à la filtration" à laquelle il conduit (résistance spécifique exprimée en m/kg ; cf test de filtrabilité sous vide défini dans le "Mémento Technique de l'Eau", 1989, 9eme Edition, Tome 1, DEGREMONT pages 372-373). Un objectif de l'invention est de fournir un procédé permettant d'abaisser significativement la résistance spécifique à la filtration des matières traitées.
Un autre objectif dans certaines applications est de conduire à une bonne siccité avec des quantités de matière ajoutée plus faibles que dans le cas de la plupart des procédés connus travaillant par filtration mécanique.
Un autre objectif est notamment de fournir un procédé dont le coût de mise en oeuvre est inférieur à celui des procédés par filtration mécanique utilisant des additifs minéraux connus. A cet effet le procédé visé par l'invention pour déshydrater des matières solides divisées imprégnées d'eau, en vue d'extraire de la phase solide partie de la phase aqueuse, est du type dans lequel on fait subir auxdites matières une filtration mécanique de façon à obtenir un gâteau compacte de siccite déterminée ; le procédé conforme à la présente invention se caractérise en ce que préalablement à la filtration mécanique, on ajoute matières solides imprégnées d'eau des particules minérales comprenant des espèces hydrophobes de silicate de magnésium et des espèces hydrophiles de silicate de magnésium et d'aluminium et/ou de carbonate de magnésium et/ou calcium les espèces hydrophobes et hydrophiles étant soit liées ensemble pour former particules mixtes, soit séparées sous forme d'un mélange de particules hydrophobes et hydrophiles, le rapport pondéral entre espèces hydrophobes et espèces hydrophiles étant compris entre 20/80 et 80/20, lesdites particules minérales ayant une répartition granulométrique telle que le diamètre moyen D5o, soit compris entre 3 et 30 microns.
Par "filtration mécanique", on entend toute opération visant à séparer l'eau des matières solides par un effet mécanique tel que passage des matières a travers un filtre-presse (filtre-presse à plateaux, filtre-presse à bandes ... ) ou centrifugation des matières dans une centrifugeuse, en vue d'obtenir un gâteau compacté présentant, au final, une concentration plus élevée en matières sèches.
On peut choisir comme espèces hydrophiles, soit du silicate de magnésium et d'aluminium, soit du carbonate de magnésium et/ou calcium soit une association des deux. De préférence, on utilisera le silicate magnésium et d'aluminium, seul ou en proportion très majoritaire. Selon un mode de mise en oeuvre préféré, les particules qui sont ajoutées aux matières à déshydrater sont en particulier formées des deux espèces suivantes : silicate de magnésium hydraté de formule 3 MgO. 4 Si02. H20, et silicate de magnésium et d'aluminium hydraté de formule x MgO. yA1203. 3 Si 02.4H20. (2 < _ x :g 5 ; 1 < _ y < _ 2 ; composés pouvant contenir des substitutions dans leur structure essentiellement par du Fe - qui n'apparaissent pas dans les formules genérales ci- dessus). particules peuvent en particulier être obtenues par un tri sélectif dans les carrières ou mines de talc où elles se présentent de façon naturelle dans certaines zones, les deux silicates étant généralement liés pour former des particules mixtes. Les expérimentations ont permis de constater de façon inattendue, de telles particules minérales portant des sites hydrophobes et des sites hydrophiles conduisaient, en particulier dans le cas matières à déshydrater hydrophiles, à une réduction remarquable de la résistance spécifique à la filtration de ces matières, et ce en utilisant le cas échéant des quantités de particules minérales très inférieures à celles nécessaires avec les additifs minéraux connus. A titre d'exemple, dans l'application concernant la déshydratation des boues biologiques qui proviennent de l'épuration d'eaux usées par voie biologique, la siccité du gâteau solide compacté extrait d'un filtre-presse est supérieure ou égale à 48 % en utilisant une quantité de matière minérale de l'ordre de 5 à 6 fois inférieure à celle nécessaire lorsque l'on utilise de la chaux.
Il convient de souligner que le procédé de l'invention est compatible avec l'utilisation d'additifs connus (polymères notamment), l'effet des particules conformes à l'invention n'étant pas masqué par ces additifs.
L'explication de l'effet constaté est actuellement difficile à donner. Il semble que les espèces hydrophiles des particules agissent sur les matières divisées en concurrence avec l'eau, réduisant la stabilité des agglomérats matières/eau, cependant que les espèces hydrophobes ont un effet d'individualisation des nouveaux agrégats créés, effet qui facilite leur séparation de la phase aqueuse (réduction de la résistance spécifique à la filtration des matières). Il est à noter que les particules utilisées dans l'invention sont dotées d'une structure minérale stable et inerte, pourvue de sites hydrophobes (apportés par le silicate de magnésium) et hydrophiles (apportés par le silicate de magnésium et d'aluminium et/ou le carbonate de magnésium et/ou calcium) ; la présence de ces particules n'entraîne aucun risque de réactions parasites et favorise la formation et le compactage des matières dans le filtre. Selon un mode de mise en oeuvre avantageux, on utilise des particules minérales dont les espèces hydrophobes et hydrophiles présentent rapport pondéral relatif compris entre 40/60 et 60/40.
En outre, notamment dans le cas de la déshydratation boues biologiques (constituées de flocs bactériens d'une taille de l'ordre 100 à 200 microns), l'on utilise de préférence des particules minérales ayant une répartition granulomètrique telle que le diamètre moyen D;o soit compris entre 5 et 5 microns. Par diamètre moyen DSO, on entend un diamètre tel que 50 % de particules en poids ont un taille inférieure audit diamètre.
La quantité de particules minérales utilisées peut en particulier être comprise entre 0,05 et 1 kg par kg de matières solides sèches (seules les matières solides à déshydrater étant prises en compte dans cette place à l'exclusion des éventuelles additifs).
Dans le procédé de l'invention, la filtration mécanique peut réalisée au moyen de tout équipement adapté pour opérer une déshydratation une action mécanique, en particulier filtre-presse connu (filtre-presse à plateaux ou filtre-presse à bandes) ou centrifugeuse.
Dans l'application visant la déshydratation de boues biologiques, ces dernières sont généralement amenées à séjourner, en sortie de station d'épuration, dans une chambre de floculation qui est suivie par un filtre presse ou une centrifugeuse. Les particules minérales à sites hydrophobes et à sites hydrophiles peuvent en particulier être ajoutées aux boues entre ladite chambre de floculation et ledit filtre-presse ou centrifugeuse. Il est également possible d'ajouter ces particules dans la chambre de floculation.
L'invention est également applicable pour réaliser d'autres types de déshydratation, en particulier la déshydratation de fibres cellulosiques imprégnées d'eau en vue d'en séparer au moins partiellement l'eau d'imprégnation, ou encore la déshydratation de gel (en particulier gel d'hydroxide metallique).
Pour illustrer les performances de l'invention, deux types de boues ont fait l'objet de mesure de leur résistance spécifique à la filtration (mesures effectuées dans les conditions des tests de filtrabilité précédemment évoqués).
<U>1</U> e` <U>cas : boues biologiques urbaine non conditionnées</U> Ces boues provenant d'une unité pilote de Laboratoire recevant des eaux usées de la ville de TOULOUSE (FRANCE) n'avaient fait l'objet d'aucun conditionnement (boues provenant de l'épuration biologique prélevées directement à la sortie du clarificateur).
Pour les échantillons témoins, la résistance spécifique à -la filtration a été mesurée pour la boue sans ajout. Le résultat obtenu était de 1012 m/kg.
Des échantillons ont été traités conformément à l'invention en leur ajoutant, par kg de matières sèches, 0,6 kg de particules constituées en poids de 50 % de silicate de magnésium hydraté (3 MgO. 4 Si02. H20.) de 50 de silicate de magnésium et d'aluminium hydraté (2 A1203. 3 Si02. 4 H20), silicates étant liés dans les mêmes particules et sélectivement extraits la carrière de la société TALC DE LUZENAC à LUZENAC en ARIEGE (FRANCE).
La résistance spécifique à la filtration mesurée était de 1012 m/kg, soit plus de deux fois inférieure.
2eme <U>cas : boues</U> biologiques <U>industrielles conditionnées</U>. Les mêmes mesures comparatives ont été effectués sur des boues biologiques industrielles conditionnées à la chaux et au FeC13 (boues en provenance d'une unité d'épuration biologique de type "cloisonyle" (marque enregistrée), décantées puis épaissies en silo hersé - effluent de l'industrie chimique).
La résistance spécifique à la filtration des échantillons témoins de cette boue était de 3,1.10 12 m/kg.
Après traitement au moyen des mêmes particules que dans le le` cas et dans les mêmes proportions, la résistance spécifique à la filtration est réduite à une valeur de 1,4. 1()12 m/kg. Par ailleurs, deux exemples comparatifs de mise en oeuvre du procédé sont fournis ci-après. Ces exemples ont été mis en oeuvre à la sortie d'une station d'épuration biologique.
La figure unique du dessin annexé schématise les équipements installés à la sortie de la station.
Les boues biologiques issues de la station sont d'abord soumises à étape d'épaississement dans un épaississeur statique 1, puis elles sont admises dans une chambre de floculation 2 où sont ajoutés les additifs classiques. l'exemple 1, les particules conformes à l'invention (et les diatomées de l'essai comparatif) sont ajoutées dans un mélangeur conditionneur 3 situé entre la chambre 2 et le filtre-presse 4. A l'exemple 2, les produits sont ajoutés dans la chambre de floculation 2.
<U>EXEMPLE I</U> Dans cet exemple, on traite des boues d'une station d'épuration biologique (effluent de chimie fine, synthèse pharmaceutique) conditionnées au moyen de polymères et par ajout, d'une part, de diatomée en amont du filtre-presse (essai témoin), d'autre part, des particules conformes à l'invention (particules identiques à celles du<B>1"</B> cas ci-dessus, avec les meures proportions relatives de silicate hydrophobe et de silicate hydrophile).
Le filtre-presse utilisé est un filtre-presse à bandes de classique les mêmes quantités de particules conformes à l'invention et de diatomées sont ajoutées dans les deux essais pour permettre la comparaison (quantité égale à 0,35 kg par kg de matières sèches).
Dans les deux cas, l'on obtient une siccité d'environ 28 du gâteau compact. Les particules conformes à l'invention conduisent, à quantité comparable, mêmes performances que les diatomées, mais leur coût unitaire est deux fois moins cher et leur caractère non abrasif conduit à une réduction significative l'usure du filtre-presse (toile des bandes filtrantes ayant une durée de vie beaucoup plus longue).
<U>EXEMPLE 2</U> Dans cet exemple, on traite des boues biologiques sur filtre-presse à plateaux. Ces boues provenant d'effluents de chimie lourde sont conditionnées, dans une première série d'essais, uniquement au chlorure ferrique et à la chaux (essais témoins), et dans une seconde série, au chlorure ferrique et à la chaux et au moyen des particules conformes à l'invention (identiques au<B>1"</B> cas).
Une addition d'autres boues est effectuée avant l'admission dans le filtre-presse à plateaux.
Les conditions de traitement et les résultats obtenus pour une journée traitement sont résumés dans le tableau ci-dessous pour les deux essais (MS - matières sèches).
Figure img00080001
TEMOIN <SEP> INVENTION.
<tb> <B>#</B> <SEP> boues <SEP> biologiques <SEP> 2 <SEP> 000 <SEP> kg <SEP> MS <SEP> 2 <SEP> 000 <SEP> kg <SEP> MS
<tb> + <SEP> chlorure <SEP> ferrique <SEP> 150 <SEP> kg <SEP> 150 <SEP> kg
<tb> + <SEP> chaux <SEP> 3 <SEP> 500 <SEP> kg <SEP> 2 <SEP> 500 <SEP> kg
<tb> + <SEP> particules <SEP> conformes <SEP> à <SEP> 0 <SEP> 144 <SEP> kg
<tb> l'invention
<tb> <B>#</B> <SEP> autres <SEP> boues <SEP> 1 <SEP> 150 <SEP> kg <SEP> MS <SEP> 1 <SEP> 150 <SEP> kg <SEP> MS
<tb> TOTAL <SEP> MS <SEP> 6 <SEP> 800 <SEP> kg <SEP> 5 <SEP> 944 <SEP> kg
<tb> Sortie <SEP> filtre-presse <SEP> 13 <SEP> 600 <SEP> kg <SEP> de <SEP> boues <SEP> humides <SEP> <B>11890</B> <SEP> kg <SEP> de <SEP> boues <SEP> humides
<tb> dont <SEP> 6 <SEP> 800 <SEP> kg <SEP> MS <SEP> dont <SEP> 5 <SEP> 945 <SEP> kg <SEP> MS
<tb> 6 <SEP> 800 <SEP> kg <SEP> eau <SEP> 5 <SEP> 945 <SEP> kg
<tb> Siccité <SEP> = <SEP> 50 <SEP> % <SEP> Siccité <SEP> = <SEP> 50 La chaux et les particules conformes à l'invention ayant des prix unitaires du même ordre, le procédé de l'invention conduit avantages suivants une économie sur les additifs (144 kg de particules conformes à l'invention remplacent 1000 kg de chaux), une économie de frais d'évacuation (réduction de la quantité évacuée dans le cas de l'invention :<B>1710</B> kg/jour).

Claims (1)

  1. REVENDICATIONS 1/ - Procédé de déshydratation de matières solides divisées imprégnées d'eau, en vue de séparer la phase solide et la phase aqueuse, dans lequel on fait subir auxdites matières une filtration mécanique de façon à obtenir gâteau compacté de siccité déterminée, caractérisé en ce que préalablement à la filtration mécanique, on ajoute aux matières solides imprégnées d'eau des espèces hydrophobes de silicate de magnésium, et des espèces hydrophiles de silicate de magnésium et d'aluminium et/ou de carbonate de magnésium et/ou calcium, le rapport pondéral entre espèces hydrophobes et espèces hydrophiles étant compris entre 20/80 et 80/20, lesdites particules minérales ayant une répartition granulomètrique telle que le diamètre moyen DSo, soit compris entre 3 et 30 microns. 2/ - Procédé de déshydratation selon revendication 1, caractérisé en ce que l'on utilise un mélange de particules de silicate de magnésium hydraté de formule 3 MgO. 4 Si02. H20 et de particules de silicate magnésium et d'aluminium hydraté de formule x MgO. yA1203. 3 Si 02. 4 H20. 3/ - Procédé de déshydratation selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on utilise des particules minérales dont les espèces hydrophobes et hydrophiles présentent rapport pondéral relatif compris entre 40/60 et 60/40. 4/ - Procédé de déshydratation selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que l'on utilise un mélange des particules minérales ayant une répartition granulomètrique telle que le diamètre moyen DSO soit compris entre 5 et 15 microns. 5/ - Procédé de déshydratation selon l'une des revendications 1, 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que l'on ajoute matières solides imprégnées d'eau une quantité de particules minérales comprise entre 0,05 et 1 kg par kg de matières solides sèches. 6/ - Procédé de déshydratation selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4 ou 5, dans lequel la filtration mécanique est réalisée dans un filtre-presse du type filtre-presse à plateaux ou filtre-presse à bandes. 7/ - Procédé de déshydratation selon l'une des revendications 1 à 6, appliqué à des boues biologiques provenant d'une station d'épuration d'eaux usées travaillant par voie biologique. 8/ - Procédé de déshydratation de boues selon la revendication 7, dans lequel les boues biologiques sont amenées à séjourner, en sortie de la station, dans une chambre de floculation suivie d'un filtre-presse ou d'une centrifugeuse, caractérisé ce que les particules sont ajoutées aux boues biologiques entre la chambre de floculation et le filtre-presse ou la centrifugeuse. 9/ - Procédé de déshydratation de boues selon la revendication 7, dans lequel les boues biologiques sont amenées à séjourner, en sortie de la station, dans une chambre de floculation suivie d'un filtre-presse ou d'une centrifugeuse, caractérisé ce que les particules minérales sont ajoutées dans la chambre de floculation. 10/ - Procédé de déshydratation selon l'une des revendications 1 à 6, appliqué à des fibres cellulosiques imprégnées d'eau en vue de séparer au moins partiellement l'eau d'imprégnation desdites fibres.
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