Traitement des boues

 

Traitement des boues

 

I. Production de boues : quantité et qualité

 

Il y a dans notre station de traitement des effluents de tanneries deux étapes produisant des boues : il s'agit de la décantation primaire du traitement physico-chimique et de la décantation secondaire du traitement biologique. Les caractéristiques de ces deux productions sont récapitulées dans le tableau 16 .

 

Tableau 16 : Caractéristiques de la production de boues

 

La concentration totale en solides ne peut pas être évaluée car on ne connaît pas le pourcentage d'élimination des étapes de traitement. Nous considèrons que les traitements n'ont pas permis d'abattre les sulfates et les chlorures, d'où une présence non prise en compte dans les caractéristiques des boues.

Pour le chrome, bien qu'une étape préliminaire ait abattu une partie de l'élément métallique, l'élimination du chrome résiduel dans les procédés de traitement a donné lieu à un transfert du chrome dans les boues, où l'on en retrouve une concentration de 68 mg/L.

Le traitement physico-chimique produit un débit de 360 m3/j, à une concentration de 50 g/L, soit 5% solide, tandis que le traitement biologique produit 1008 m3/j, à 0,74 % solide.

Remarque : Le pourcentage de matière sèche des boues biologiques (boues activées) a été approximé à l'aide de la concentration de la purge en biomasse, soit Xp=3500 mg/L (cf traitement biologique )

 

II. Devenir des boues

 

Plusieurs choix s'offrent à nous quant au devenir des boues produites. Les particularités des boues de tanneries sont leurs teneurs en matière inorganique, métaux lourds et composés soufrés, plus importantes que celles des boues de stations d'épuration d'eaux usées. 

Des solutions pour leur utilisation existent : mise en décharge, épandage, compostage, digestion anaérobie, traitement thermique, vitrification, pyrolyse, etc. (Introduction to treatment of tannery effluents, U.N.I.D.O.). Le procédé global de traitement des boues est constitué de plusieurs étapes de prétraitement qui peuvent être l'épaississement, le conditionnement chimique, la déshydrataion, etc. Le choix et l'organisation de ces étapes doivent être déterminés par une étude approfondie des compositions des boues et des possibilités de revalorisation sur ou hors site. 

Dans tous les cas, pour disposer des boues, il est nécessaire de réduire leur volume : en effet le coût du transport et du stockage s'en retrouvera amoindri.

La solution que nous aimerions mettre en place est un procédé de méthanisation qui permettrait une revalorisation multiple des boues. En utilisant le pouvoir fermentescible des boues, la méthanisation, par digestion anaérobie, permet de diminuer leur quantité tout en créant du biogaz, revalorisable ensuite énergiquement. Le digestat obtenu en sortie de méthaniseur peut aussi être valorisé via un épandage agricole (si les normes le permettent) ou comme combustible, après séchage. Dans notre cas, la concentration en chrome total dans notre mélange de boue ne permettra pas l'épandage. En effet, la norme française tolère jusqu'à 1 000 mg de chrome par kilogramme de matière sèche, or nous avons 

$$ \frac { [Cr]_{mg/L} } { [matière\ sèche]_{kg/L }} = \frac {68\ 000}{19} = 3\ 600\ mgCr/kgMS $$, soit presque 4 fois la norme. Même si la norme argentine permet un épandage moins restreint, il n'est pas environnementalement recommandé d'utiliser des boues chargées en chrome pour l'agriculture, aussi on préfèrera le stockage ou l'incinération du digestat selon les besoins et possibilités de l'agglomération de Buenos Aires.

La méthode de méthanisation est applicable pour un mélange de boues issues du traitement primaire et secondaire puisqu'on aura dans ces boues de la matière organique ainsi que de la biomasse. Cependant, les boues envoyées en méthanisation devant avoir un pourcentage de matière sèche d'au moins 5% (R. MOLETTA, La méthanisation, chapître 9), on procèdera d'abord à leur épaississement

En sortie de méthaniseur, nous choisissons de mettre en place une déshydratation pour pouvoir déplacer ou stocker les boues d'un moindre volume.

 

III. Dimensionnement du procédé choisi

 

Un schéma illustrant le procédé précédemment déterminé est présenté ci-dessous : 

 

Figure 25 : Schéma du traitement des boues envisagé (réalisation avec logiciel Lucidchart)

 

1) Epaississeur

 

Pour pénétrer le méthaniseur, les boues doivent atteindre une valeur de 5% solide. D'après le tableau 14-18 de l'ouvrage Wastewater Engineering treatment and reuse de METCALF & EDDY, 4ème édition, la méthode d'épaississement la plus utilisée pour traiter le mélange de boues issues d'un traitement primaire et d'un traitement biologique secondaire est la décantation. Bien qu'il soit précisé que le rendement d'une telle opération sur de larges installations n'a pas été déterminé, nous utiliserons le chiffre de 4 à 6% estimé pour de petites installations. Nous considérerons que le mélange de boues ainsi épaissies est prêt pour la méthanisation, et considérerons la valeur de 6% pour la suite des calculs.

L'épaississement par gravité se déroule dans un décanteur dont le design est assez proche d'un bassin de sédimentation conventionnel : un bassin circulaire où la boue va sédimenter et se compacter. Les boues épaissies sont récupérées par le fond conique, tandis que le surnageant est envoyé selon la solution choisie vers le bassin de sédimentation primaire, le début du procédé de traitement total des effluents, ou vers une autre utilisation. Dans notre projet, nous n'avons pas pris en compte le recyclage des eaux ainsi récupérées.

Pour le dimensionnement de notre épaississeur, nous nous sommes servis de la méthode illustrée dans l'exemple 14-4 du même livre de dimensionnement de METCALF & EDDY.

Considérant les mêmes valeurs de densité de boues primaires (1,03) et secondaires (1,005) , nous estimons dans un premier temps le flux de matière sèche (MS) puis le débit du mélange de boues par les calculs suivants : 

$$F_{MS,boues\ primaires}  = Q_{boues\ primaires} \times 1,03  \times \%\ solide \times 1000 = 18\ 555\ kg/j$$

$$F_{MS,boues\ secondaires} = Q_{boues\ secondaires} \times 1,005  \times \%\ solide \times 1000 = 7\ 446\ kg/j$$

$$F_{MS,mélange}=F_{MS, boues\ primaires} + F_{MS, boues\ secondaires}=26\ 000\ kg/j$$

$$Q_{mélange}=Q_{boues\ primaires}+Q_{boues\ secondaires}=1\ 368\ m^3/j$$

Afin de calculer la surface du décanteur nécessaire nous utilisons le taux de charge solide, dont la valeur est estimée dans le tableau 14-19 du même chapitre résumé dans le tableau 17 suivant, et dépend du pourcentage solide des boues ainsi combinées. 

 

Tableau 17: concentration solide typique et taux de charge solide pour un épaississeur par gravité (adapté du tableau 14-19 de METCALF & EDDY)

En prenant comme densité du mélange la moyenne des densités des boues séparées, on calcule le pourcentage solide de ce mélange:

$$\%\ solide_{mélange}= \frac {F_{MS, mélange}}{Q_{mélange} \times 1,02 \times 1000} \times 100 \%  =1,87\ \% $$

Nous sommes en dehors de l'échelle de pourcentage des données, mais faute de mieux nous utiliserons la valeur maximale de la charge solide proposée, à savoir $70\ kg/m^2.j$.

Nous pouvons alors estimer l'aire nécessaire pour la décantation : 

$$S_{décanteur}= \frac {F_{MS, mélange}}{70}=371\ m^2$$

Nous en déduisons ensuite le diamètre d'un épaississeur :

$$D_{décanteur}= \sqrt {\frac {4 \times S_{décanteur}}{\pi }}= 21,7\ m$$

Il est conseillé de respecter une valeur maximale de 20 m de diamètre, aussi on peut considérer deux épaississeurs, dans ce cas on aura deux équipements d'un diamètre de :

$$D_{décanteur}= \sqrt {\frac {4 \times S_{décanteur}}{2 \times \pi }}= 15,4\ m$$

Nous calculons alors la charge hydraulique du système pour voir si nous sommes dans les ordres de grandeurs recommandés pour éviter les odeurs : 

$$ \frac {Q_{mélange}}{S_{décanteur}}=3,7\ m^3/m^2.j$$

Cette grandeur est supposée comprise entre 6 et 12 m3/m2.j pour un mélange de boues primaires et secondaires de station d'épuration des eaux usées. Nous sommes en dessous de cette marge mais comme il s'agit ici du traitement de boues de tanneries, nous considérerons que cette valeur est acceptable, ou à vérifier avec des données plus spécifiques.

Pour estimer le débit d'eau en surnageant du décanteur, nous faisons l'hypothèse pour le calcul qu'il ne contient pas de solides. Avec un pourcentage solide de 6% pour les boues épaissies, donc une concentration en matière sèche de 60 g/L, nous pouvons estimer :

$$Q_{boues\ épaissies}= \frac {Q_{mélange} \times \%\ solide_{mélange} \times 1000}{6 \% \times 1\ 000}= 426\ m^3/j$$

$$Q_{surnageant}= Q_{mélange} - Q_{boues\ épaissies} = 942\ m^3/j$$

 

2) Méthaniseur

 

Sur la base des recommandations de l'ouvrage La Méthanisation, chapître 9, pour la méthanisation de ce type de boues, afin d'assurer une homogénéité de l'humidité, il vaut mieux utiliser un réacteur unique, infiniment mélangé, dans lequel s'effectuent simultanément toutes les étapes de méthanisation (hydrolyse, acidogénèse, acétogénèse, méthanogénèse). La méthode de brassage peut se faire par recirculation du biogaz créé. D'après les choix de types d'équipements présentés dans le même livre, une digestion mésophile, soit à 40°C, est à favoriser dans notre cas. En effet, ce procédé n'aura pas d'impacts sur la déshydratation suivante, la consommation en énergie est réduite par rapport aux autres températures, et même si le procédé est non hygiénisant, les boues de tanneries ne présentent à priori pas de risque pathogène.

Comme nous ne pouvons pas estimer les caractéristiques  de nos boues, en particulier la  concentration en matières volatiles, il est difficile d'estimer la charge organique de nos boues, et donc d'estimer un volume de réacteur nécessaire. Cependant, nous estimons le temps de séjour des boues à environ 20 jours en voie humide, cas où l'on est placé en sortie d'épaississeur puisque la siccité de nos boues épaissies est de 6% < 10% (cf. cours Revalorisation 2013-2014 de Madame BARRET, chapître Méthanisation).

Nous pouvons alors estimer très approximativement un volume de réacteur :

$$V_{méthaniseur}= Q_{boues\ épaissies} \times 20 = 8\ 518\ m^3$$

Si le méthaniseur mesure 4 m de hauteur, on aura une surface au sol de 2 130 m2. Il faudra ensuite tenir compte de la production de biogaz et du volume nécessaire à sa recirculation dans le mélange d'une part, et des équipements nécessaires à son épuration d'autre part. En effet, le biogaz ainsi créé n'est pas du méthane pur mais va contenir un certain nombre d'impuretés à éliminer s'il est destiné à la production d'électricité. On devra notamment traiter le dioxyde de carbone, les composés organiques volatiles, et surtout l'hydrogène sulfuré qui représente un danger pour la population. Un des procédés qui peut être utilisé pour l'épuration est l'adsorption sur zéolithes ou charbon actif.

 

3) Déshydratation

 

En sortie de méthaniseur, le digestat récupéré n'a pas la même composition que les boues épaissies puisqu'une partie de la phase organique aura été transformée par la digestion anaérobie. A ce stade du projet nous n'avons pas pu estimer le volume de matière sortant du méthaniseur, nous avons alors dimensionné un filtre à bande pour le mélange de boues épaissies, effectuant ainsi un sur-dimensionnement qui serait à recalculer en fonction de la réalisation ou non de l'étape de méthanisation et de son rendement.

La déshydratation des boues préalablement épaissies peut se faire par force centrifuge, filtre à bande, filtre à presse, lit de séchage ou même lagunage. Nous choisissons une méthode de déshydratation mécanique par filtration, à l'aide d'un filtre à bande puisqu'il permet une utilisation à faible énergie, investissement et coût d'opération, avec une mécanique moins complexe et plus facile à manier que les autres méthodes (selon METCALF & EDDY,  chapître 14). Ce moyen de déshydratation sous pression progressive permet un essorage en trois temps (égouttage, pressage, cisaillement de la masse). Il doit être précédé d'une étape de floculation pour favoriser l'égouttage. 

 

Figure 26 : Schéma de fonctionnement d'un filtre à bande (source: Traitements et destinations finales des boues résiduaires, RefJ3944, 10 sept. 2000, J.-C. BOEGLIN,  Techniques de l'ingénieur, )

 

Nous effectuons un dimensionnement du filtre basé sur la méthode de l'exemple 14-9 du chapitre 14 du même livre de dimensionnement de METCALF & EDDY​. Les caractéristiques de l'alimentation sont les mêmes qu'en sortie de l'épaississeur, à savoir Qboues épaissies = 426 m3/j de boues à 6% solide, soit environ Alim = 26 000 kg/j, et donc $$  \frac{26\ 000} {24} = 1080 kg/h $$

Les quantités de polyélectrolytes (floculant) à ajouter pour atteindre 25% de siccité, varient entre 3 et 8 g par kg de matière sèche. Nous avons donc entre $$ 3 \times 26 = 78\ kg  $$ et $$ 8 \times 26  = 208\ kg $$ à ajouter par jour aux boues.

Nous considérons les données suivantes :

- Concentration solide totale atteinte dans les boues déshydratées : 25%

- Concentration solide dans le filtrat : 0,09%

- Charge du filtre : 275 kg/m.h (en concordance avec la gamme de valeurs pour des boues primaires et activées anaérobiquement digérées)

- Densité de l'alimentation, du gâteau déshydraté, et du filtrat respectivement 1,02 , 1,07 et 1,01.

 

Nous estimons alors une largeur de filtre : \frac {1\ 080} { 275 } = 3,9 m. Nous sommes un peu au dessus des valeurs recommandées (de 0,5 à 3,5 m). Pour être dans la gamme de largeur, il faudrait une charge du filtre de 310 kg/m.h : on a alors une largeur de 3,5 m.

En considérant une permétitivité de 1,2 m3/h.m2, on en déduit la surface du filtre à bande :

$$S= \frac {Q_{boues\ épaissies} }{1,2} = \frac {426}{1,2\times 24} = 15\ m^2 $$

Avec la largeur on calcule la longueur : $ \frac {15}{3,5} = 4\ m $

Pour déterminer les débits de filtrat F et de sortie de boues déshydratées S, nous effectuons des bilans sur la fraction solide d'une part et sur les débits d'autre part :

$$ Alim_{kg/j} = S \times 1,07 \times 25\% \times 1000  + F\times 1,01\times 9\% \times 1000 $$

$$ Q_{boues\ épaissies} = F + S $$

En résolvant ces équations, nous obtenons:

$$ S = 96\ m^3/j $$

$$ F = 330\ m^3/j $$

Nous avons donc, après traitement des boues, l'obtention d'un mélange épaissi et déshydraté, représentant une production de 96 m3/j, soit un débit massique de 25 700 kg/j de boues.

En filtrat on obtient 330 m3/j d'eau chargé à 0,09% de solide, soit un débit massique de 300 kg/j. Pour la gestion de cette eau, il faudrait prendre en compte ce débit dans un recyclage vers une des étapes de traitement. Nous n'avons cependant pas eu le temps de prendre cela en compte dans notre projet.

Les principaux désavantages de cette technique sont les demandes en eaux de nettoyage : en effet il faut des débits de 90 L/min par mètre de largeur de filtre en moyenne, ce qui représente un débit non négligeable.

 

IV. Conclusion

 

Comme nous ne pouvons pas faire d'analyses de productions de boues du traitement de nos effluents, et que nos estimations sont basées sur de nombreuses hypothèses qui se cumulent d'étapes en étapes, cette partie du projet se contente de proposer un procédé de traitement envisageable avec une pré-estimation des équipements choisis pour le traitement des boues.

Un procédé de méthanisation demande une maîtrise du procédé afin d'optimiser la digestion anaérobique et de gérer la production de biogaz en toute sécurité, des compétences précises sont donc nécessaires et pas forcément disponibles ou prévues pour le projet à Buenos Aires. 

Si l'application d'un tel procédé n'est pas réalisable, les étapes d'épaississement et de déshydratation sont néanmoins nécessaires pour la gestion des boues, et à optimiser en fonction des caractéristiques (siccité, toxicité) à atteindre pour une future valorisation ou stockage.