Déshydratation des boues : méthodes, technologies et systèmes de traitement des eaux usées

Qu'est-ce que la déshydratation et pourquoi c'est important pour la gestion des boues

La déshydratation est l'élimination mécanique ou physique de l'eau d'un mélange solide-liquide pour réduire son volume et augmenter sa teneur en solides. Dans le contexte du traitement des eaux usées, la déshydratation fait spécifiquement référence au processus de séparation de l'eau des boues - le sous-produit semi-solide généré au cours des étapes de traitement primaire, secondaire et tertiaire - pour produire un gâteau manipulable et transportable pouvant être éliminé, épandu ou traité ultérieurement.

Les arguments économiques et opérationnels en faveur de la déshydratation sont simples. Les boues d’épuration brutes contiennent généralement 95 à 99 % d'eau en poids . La réduction de la teneur en humidité de 97 % à 75 % grâce à la déshydratation mécanique réduit le volume des boues d'environ 88 %, ce qui réduit considérablement les coûts de transport, les frais de mise en décharge et la consommation d'énergie lors du traitement thermique en aval. Pour une station d’épuration municipale de taille moyenne traitant 50 000 m³/jour, cette réduction de volume peut se traduire par des économies de plusieurs centaines de milliers de dollars par an rien qu’en coûts d’élimination des boues.

Au-delà de la réduction du volume, la déshydratation stabilise également les boues pour leur manipulation : un gâteau bien déshydraté contenant 20 à 25 % de solides totaux (TS) peut être transporté par courroie ou par vis sans pompage, empilé pour un stockage temporaire et chargé dans des camions sans équipement spécialisé.

Épaississement des boues ou déshydratation : comprendre la différence

L’épaississement et la déshydratation des boues sont des opérations séquentielles mais distinctes dans un train complet de gestion des boues. La confusion des deux conduit à une mauvaise sélection des équipements et à des inefficacités des processus.

Épaississement est un processus mécanique par gravité ou à faible cisaillement qui concentre les boues diluées de 0,5 à 2 % TS à environ 3 à 8 % TS. Il ne s’agit pas d’une étape finale de déshydratation : les boues épaissies restent pompables et fluides. L'objectif principal est de réduire le volume introduit dans les digesteurs ou les équipements de déshydratation en aval, réduisant ainsi leur dimensionnement et leurs coûts d'exploitation. Les technologies d'épaississement courantes comprennent les épaississeurs par gravité, les épaississeurs par flottation à air dissous (DAF), les épaississeurs à tambour rotatif et les épaississeurs à bande gravitationnelle.

Assèchement suit l'épaississement et utilise la pression mécanique, le vide ou la force centrifuge pour pousser la teneur en matières solides des boues de la plage de 3 à 8 % TS jusqu'à 15 à 35 % TS — produisant un gâteau semi-solide. À cette teneur en solides, le matériau passe d'un fluide qui doit être pompé à un solide qui peut être transporté, empilé et transporté par des moyens conventionnels.

La séquence combinée d’épaississement et de déshydratation des boues constitue l’épine dorsale de la gestion moderne des biosolides. Ignorer l'épaississement et alimenter les boues diluées directement vers l'équipement de déshydratation entraîne des machines surdimensionnées et surchargées avec une mauvaise siccité des gâteaux et une consommation élevée de polymères.

Technologies de déshydratation des boues : un aperçu comparatif

Plusieurs technologies de déshydratation des boues sont utilisées commercialement. Chacun fonctionne selon des principes physiques différents et offre une siccité de gâteau, une demande en polymère, une empreinte et une consommation d'énergie différentes. La sélection dépend du type de boues, de la taille de l'usine, de la voie d'élimination finale et des priorités en matière d'investissement et de coûts d'exploitation.

Filtre-presse à bande

Le filtre-presse à bande (BFP) est l’une des technologies de déshydratation les plus largement installées au monde, en particulier dans les applications de traitement des eaux usées municipales. Les boues conditionnées sont acheminées entre deux bandes poreuses en mouvement continu qui s'écoulent d'abord par gravité, puis compriment les boues à travers une série de rouleaux avec une pression progressivement croissante. La teneur en matières solides du gâteau varie généralement de 18 à 25 % de TS pour les boues municipales mélangées. Les BFP ont une faible consommation d'énergie (1 à 2 kWh/tonne de matières sèches) mais nécessitent une quantité importante d'eau de lavage (3 à 10 m³/heure par mètre de largeur de bande) et sont sensibles à la variabilité des boues d'alimentation.

Décanteur centrifuge

Les décanteurs centrifuges utilisent la force centrifuge (généralement de 1 500 à 4 000 × g) pour séparer les solides des boues de la phase liquide à grande vitesse. Ils livrent 20 à 30 % de siccité du gâteau TS pour les boues municipales digérées et sont bien adaptés à un fonctionnement continu à grand volume. Les centrifugeuses sont compactes, entièrement fermées (importantes pour le contrôle des odeurs) et largement automatisées, mais leur consommation d'énergie est nettement supérieure à celle des BFP, généralement 15 à 30 kWh/tonne de matières sèches, et leur coût de maintenance est élevé en raison de l'usure due aux boues abrasives.

Presse à vis

La presse à vis alimente les boues dans un tamis cylindrique et les fait avancer avec une vis rotative à pas progressivement décroissant, pressant l'eau libre à travers le tamis tandis que le gâteau est évacué à la sortie. Les presses à vis multidisques modernes ont rapidement gagné des parts de marché grâce à leur très faible consommation d'énergie (2 à 5 kWh/tonne DS), attention minimale de l'opérateur, faibles besoins en eau de lavage et adéquation aux installations de petite à moyenne taille. La siccité du gâteau est généralement de 15 à 22 % TS – inférieure à celle des centrifugeuses – mais pour les applications où les économies de coûts d'élimination justifient un gâteau légèrement plus humide, l'avantage en termes de coûts d'exploitation est convaincant.

Filtre presse (plaque et cadre)

Les filtres-presses à plaques et cadres haute pression produisent le gâteau le plus sec de toutes les technologies de déshydratation mécanique, généralement 35 à 45 % TS — ce qui en fait le choix privilégié lorsque les boues sont destinées à l'incinération, à la co-cuisson ou lorsque les coûts de mise en décharge sont extrêmement élevés. Le fonctionnement par lots, la grande empreinte au sol et le coût d'investissement élevé limitent leur utilisation aux boues industrielles, aux boues municipales conditionnées à la chaux et aux applications où une siccité très élevée est une exigence stricte. Les filtres-presses à membrane qui gonflent les diaphragmes flexibles après le remplissage peuvent pousser la siccité du gâteau au-dessus de 50 % TS dans certaines applications de boues industrielles.

Filtre à vide rotatif

Autrefois technologie dominante pour la déshydratation des boues d'épuration, les filtres à vide rotatifs ont été largement remplacés par des presses à bande et des centrifugeuses dans les nouvelles installations en raison de leur siccité relativement faible (12 à 18 % TS), de leurs besoins élevés en énergie et en maintenance et de leur conception ouverte. Ils restent en service dans les installations municipales plus anciennes et dans certaines applications industrielles où leur fonctionnement doux et continu convient aux types de boues fragiles ou fibreuses.

Déshydratation des boues DAF : Manipulation des sous-produits des unités de flottation

Les unités de flottation à air dissous (DAF) sont largement utilisées dans le traitement des eaux usées industrielles et municipales pour éliminer les matières en suspension, les graisses, les huiles et les graisses en attachant des bulles d'air microscopiques aux particules et en les faisant flotter à la surface comme un flotteur écrémé. Les boues DAF qui en résultent présentent des défis de déshydratation uniques qui diffèrent considérablement des boues biologiques primaires ou secondaires décantées.

Le flotteur DAF arrive généralement à l'étape de déshydratation à 1 à 5 % TS — comparable aux boues biologiques épaissies — mais son caractère physique est fondamentalement différent. Les boues DAF provenant de la transformation des aliments, de l'équarrissage ou des usines de papier sont souvent hautement compressibles, gélatineuses et riches en graisses et en protéines qui résistent au drainage. Le conditionnement standard des polymères qui fonctionne bien pour les boues activées peut avoir de mauvais résultats sur le flotteur DAF ; des programmes à double polymère combinant des polymères cationiques et anioniques, ou l'ajout de coagulants tels que le chlorure ferrique ou le sulfate d'aluminium avant le conditionnement des polymères, sont souvent nécessaires.

Pour la déshydratation des boues DAF, les décanteurs centrifuges et les filtres-presses à bande sont les technologies les plus couramment appliquées. Les centrifugeuses gèrent de manière plus fiable la teneur élevée en matières grasses : l'accumulation de graisse sur les tissus des presses à bande est un problème opérationnel chronique dans les applications DAF de l'industrie alimentaire. Les presses à vis ont également montré de bons résultats sur les flotteurs DAF provenant d'usines municipales où la teneur en lipides est plus faible. Sécheresse du gâteau de 12 à 20 % TS est typique des boues DAF de l'industrie alimentaire, nettement inférieure aux boues biologiques, en raison de la nature compressible et hydrophile des solides.

Dans les environnements industriels où le DAF est utilisé pour le traitement des eaux usées de peinture, les boues de peinture qui en résultent présentent des complications supplémentaires. Les solides de peinture – en particulier ceux provenant des couches de base à base d’eau contenant des résines et des pigments – forment un gâteau collant et adhésif qui peut aveugler les médias filtrants et encrasser rapidement les bols de la centrifugeuse. Les systèmes de déshydratation dédiés aux boues de peinture utilisent souvent des filtres-presses avec des tissus filtrants synthétiques conçus pour les cycles de nettoyage aux solvants, ou des séchoirs de boues spécialement conçus qui combinent la déshydratation mécanique et le séchage thermique dans une seule unité pour atteindre 80 à 90 % de TS pour être classés comme déchet solide non dangereux.

Systèmes de déshydratation des boues dans les applications industrielles

Au-delà du traitement des eaux usées municipales, les systèmes de déshydratation des boues sont au cœur d'un large éventail d'opérations de processus industriels. Le terme « lisier » décrit généralement un mélange avec une concentration de solides plus élevée et plus uniforme que les boues d'épuration – souvent 10 à 40 % de solides en poids – et peut impliquer des particules inorganiques (minéraux, céramiques, métaux) plutôt que du matériel biologique.

Les principales applications de déshydratation des boues industrielles comprennent :

• Extraction minière et traitement des minéraux — déshydratation des résidus à l'aide d'épaississeurs, de filtres-presses ou de filtres à bande sous vide ; la récupération des eaux de traitement pour les recycler dans les régions où l’eau est rare est l’un des principaux moteurs
• Construction et creusement de tunnels — les boues de bentonite et les boues de forage provenant des opérations de creusement de tunnels nécessitent une déshydratation rapide sur le chantier à l'aide de systèmes de filtre-presse ou de centrifugeuse mobiles avant que l'eau récupérée puisse être évacuée ou réutilisée
• Fabrication de céramique et de verre — les boues de particules fines provenant des opérations de meulage et de polissage par voie humide sont déshydratées par des filtres à disques sous vide ou des filtres sous pression pour récupérer les matériaux précieux et réduire les volumes de rejet d'eaux usées
• Production d'énergie — les boues de cendres volantes et de mâchefers provenant de la combustion du charbon sont déshydratées à l'aide de filtres à bande sous vide ou de filtres-presses dans le cadre des systèmes de traitement des cendres sèches ou semi-sèches requis par les réglementations environnementales
• Transformation des aliments et des boissons — les marcs de fruits, les vinasses de céréales et les boues d'amidon sont déshydratés avant le séchage ou la transformation des aliments pour animaux, les presses à vis et les décanteurs centrifuges étant les choix d'équipement dominants

La conception du système de déshydratation des boues industrielles doit tenir compte de l'abrasivité (qui impose des matériaux résistants à l'usure dans les centrifugeuses et les pompes), de la distribution granulométrique (les particules fines inférieures à 5 µm résistent au drainage et peuvent nécessiter des aides à la filtration) et de la compatibilité chimique entre les boues et les surfaces mouillées de l'équipement de déshydratation.

Conditionnement des polymères : la variable qui contrôle les performances de déshydratation

Dans pratiquement toutes les méthodes de déshydratation des boues, le conditionnement des polymères est l'étape en amont qui détermine si l'équipement de déshydratation mécanique fonctionne dans les limites de sa plage de conception ou s'il a du mal à produire une siccité acceptable du gâteau. Un bon conditionnement a souvent plus d'impact que la sélection de l'équipement.

Les polyélectrolytes – le plus souvent des polyacrylamides cationiques – agissent en neutralisant la charge de surface négative des particules de boue et en reliant les particules entre elles en flocs plus gros libérant de l'eau. Les paramètres clés à optimiser dans tout système de déshydratation des boues sont :

• Dose de polymère — généralement 3 à 10 kg de polymère actif par tonne de matières sèches pour les boues secondaires municipales ; un surdosage gaspille le coût des produits chimiques et peut inverser la charge, réduisant ainsi les performances
• Dilution et maquillage — les polymères en émulsion doivent être dilués à une solution de 0,1 à 0,5 % avant l'injection ; une dilution inadéquate entraîne un polymère inactivé qui passe par l'étape de déshydratation sans conditionner les boues
• Mélanger énergie et temps de contact — un cisaillement suffisant est nécessaire pour disperser le polymère dans la boue, mais un cisaillement excessif après la formation du floc brise les flocs et ne peut être inversé ; les mélangeurs statiques en ligne ou les mélangeurs dynamiques à faible cisaillement sont préférés aux turbines à grande vitesse
• Variabilité des boues — les changements dans la composition des boues d'alimentation (par exemple, après une tempête qui dilue les boues primaires, ou après des changements dans le traitement biologique) modifient le type et la dose optimaux de polymère ; les systèmes de dosage automatisés de polymères avec contrôle de la turbidité ou du temps d'aspiration capillaire (CST) améliorent considérablement la cohérence

Pour la déshydratation des boues d'épuration dans les usines municipales, les coûts des polymères représentent généralement 30 à 50 % du coût total d'exploitation de la déshydratation. Une réduction de 10 % de la consommation spécifique de polymères grâce à une meilleure optimisation du conditionnement est souvent réalisable et permet de réaliser des économies budgétaires significatives sans investissement en capital.