CA2472879A1 - Procede electrochimique de stabilisation et pre-conditionnement des boues d'epuration municipales et industrielles - Google Patents

Abstract

Procédé de traitement électrochimique de conditionnement pré-déshydratation des boues d'épuration caractérisé en ce qu'il comprend le s étapes suivantes : acidification des boues de manière à atteindre un pH suffisammen t haut pour éviter une corrosion et suffisamment bas pour réduire significativement les indicateurs de pathogènes; traitement des boues acidifiées dans une cellule électrolytique capable de générer in situ un oxydant bactéricide en une concentration suffisamment élevée pour désinfecter les boues et suffisamment basse pour éviter la formation de composés organochlorés dans les boues; électrolyser les boues durant une période de temps suffisante pour stabilise r les boues et améliorer leur déshydratabilité.

Description

TITRE
Procédé électrochimique de stabilisation et pré-conditionnement des boues d'épuration municipales et industrielles DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne un procédé électrochimique de stabilisation et de pré-conditionnement des boues d'épuration municipales et industrielles. Ce procédé permet une réduction importante des indicateurs de pathogènes et des odeurs. Ce procédé permet également d'améliorer significativement les caractéristiques de déshydratabilité des boues en haussant la siccité des boues lors de leur déshydratation mécanique.
ART ANTÉRIEUR
Le traitement des eaux usées municipales et industrielles entraîne une production croissante de boues d'épuration. Ces diverses boues doivent évidemment être éliminées en minimisant les risques pour la santé humaine et les écosystèmes. Les modes d'élimination de cette biomasse les plus utilisés actuellement sont l'épandage agricole, l'enfouissement sanitaire et l'incinération. La disposition finale de ces rejets est assujettie à diverses contraintes d'ordres technique et économique.
L'incinération et l'enfouissement, bien que parfois nécessaires, ne permettent que l'élimination des boues, sans tirer avantage de leurs propriétés physiques et chimiques. De plus, la difficulté de déshydrater de manière très performante les boues d'épuration constitue un obstacle important à la disposition des boues par enfouissement ou incinération. La raréfaction des sites d'enfouissement sanitaire (hausse des coûts d'acceptation) et les coûts très élevés inhérents à l'incinération des boues ont accru, au cours des dernières années, l'attrait de l'utilisation des boues comme fertilisants agricoles ou sylvicoles.
La valorisation agricole des boues est l'option privilégiée par les autorités gouvernementales et elle est largement pratiquée à travers le monde.
A
l'heure actuelle, de 30 à 40% des boues d'épuration produites dans le monde sont utilisées pour la fertilisation des sols. L'intégration de procédés performants de stabilisation des boues dans les stations d'épuration municipales et industrielles permettrait d'accroître les possibilités de valorisation des boues résiduaires de traitement des eaux usées.
De plus, l'utilisation d'un procédé de stabilisation permettant également d'améliorer la capacité de déshydratation des boues serait souhaitable, tenant compte des difficultés associées à cette étape de traitement des boues d'épuration. Ainsi, le conditionnement des boues d'épuration avant leur déshydratation mécanique s'effectue habituellement par un apport de floculant (polymère organique). Or, la déshydratation mécanique des boues biologiques ainsi conditionnées demeure difficile, de sorte que la siccité finale des boues déshydratées reste faible et engendre donc des coûts de transport et de disposition appréciables.
La stabilisation des boues dans les stations d'épuration s'effectue habituellement par les procédés biologiques de digestion aérobie ou anaérobie.
La digestion aérobie est une technique de stabilisation des boues utilisée surtout dans les stations d'épuration de petite et moyenne capacités. La stabilisation par digestion aérobie est réalisable sur des boues secondaires ou sur des boues mixtes (primaires et secondaires). Le coût énergétique important associé à l'aération des boues est un facteur limitant l'emploi de cette technologie. Lors de la digestion aérobie, les bactéries aérobies métabolisent les matières organiques solubilisées en dioxyde de carbone, en eau et en nouvelles cellules bactériennes. Lorsque les matières organiques solubles sont épuisées, les cellules bactériennes meurent et libèrent ainsi des éléments nutritifs intracellulaires qui servent de nourriture à
d'autres organismes. Le taux de minéralisation des boues dépend principalement du temps de séjour, de la température, ainsi que de l'âge des boues introduites.
Un temps de séjour de 14 à 20 jours est habituellement requis pour une stabilisation adéquate de la biomasse.
La digestion anaérobie est aussi une des méthodes les plus couramment utilisées pour la stabilisation des boues d'épuration municipales.
L'utilisation de la digestion anaérobie pour la stabilisation des boues d'épuration remonte à plusieurs décennies. De fait, la fermentation méthanique a un très grand

2 pouvoir de biodestruction cellulaire. Elle permet l'élimination d'une quantité
importante de matières organiques. La digestion anaérobie des boues comporte trois étapes : a) au cours de la première étape, les composés organiques complexes de la partie solide des boues subissent une transformation en composés organiques complexes solubles; b) après cette solubilisation, les molécules organiques complexes sont converties en acides gras volatils, composés plus simples, par des microorganismes anaérobies; c) la dernière étape de la réaction en série est la minéralisation complète des acides gras volatils en méthane, en dioxyde de carbone et en sulfure d'hydrogène. En cours d'exploitation de la plupart des installations municipales, les trois étapes de fermentation méthanique se produisent simultanément dans un digesteur clos. Le temps de rétention des boues est de l'ordre de 30 jours.
Ces deux techniques de traitement des boues, soit la digestion aérobie et anaérobie, nécessitent l'installation de digesteurs de dimensions importantes, ce qui entraîne des coûts de capitalisation élevés. De plus, l'implantation de tels systèmes dans des stations déjà opérationnelles peut étre difficilement réalisable compte-tenu du peu d'espaces disponibles. II faut également considérer que l'application de ces traitements sur les boues n'améliore pas leur capacité
d'être déshydratées et peu même avoir un effet inverse.
Lorsque la réduction du montant d'investissement est un objectif prioritaire, le pouvoir fermentescible des boues peut être diminué, au moins temporairement, par la seule addition de réactifs chimiques en combinaison ou non avec un traitement thermique. L'apport de chaux peut être effectué sur des boues liquides ou sur des boues déshydratées. Pour obtenir un pouvoir de désinfection adéquat, les boues doivent étre amenées à pH 12 pendant au moins deux heures et de préférence pendant 24 heures. Le coût réduit de la chaux, son alcalinité et son effet favorable sur la structure physique des boues en font le réactif le plus utilisé.
Cette dernière technique ne modifie pas la quantité de matières organiques biodégradables contenues dans les boues. Une reprise de fermentation est donc possible si l'évolution ultérieure des conditions du milieu le permet. Un autre désavantage de cette technique est que la masse de boues n'est pas réduite, mais au contraire, elle est augmentée à la suite de l'addition d'agents alcalins.
II faut

3 également signaler que l'application sur les terres agricoles de boues chaulées n'est pas souhaitable où les sols sont alcalins, comme c'est le cas, par exemple, dans une grande partie de l'ouest du continent américain.
La fixation chimique est un procédé de stabilisation alcalin des boues qui transforme les boues en un produit inerte, lequel peut être utilisé pour le remplissage de terrain en surface ou pour l'application sur les terres. Durant la fixation chimique, une série de réactions chimiques ont lieu en combinant les boues déshydratées avec les réactifs chimiques, ce qui permet l'obtention d'un solide stable du point de vue chimique, biologique et physique. Le produit final est presque inodore et ne contient pratiquement plus de microorganismes pathogènes. De plus, les métaux présents initialement dans les boues sont fixés dans le solide obtenu.
Deux procédés de fixation chimique ont été brevetés (brevets américains Nos.

4.853.208 et 6.248.148) et commercialisés: Chem-~x et N-Viro Soil. Le procédé
Chem-fix utilise du ciment Portland et un silicate de sodium afin de produire un sol synthétique à base de boues. Le procédé N-Viro Soil emploi de la chaux et de la poussière de ciment comme additifs chimiques. Le procédé N-Viro Soil peut également utiliser des cendres volantes et de la poussière de chaux. Bien que ces techniques de stabilisation chimique puissent s'avérer des solutions alternatives prometteuses, des contraintes d'ordres économiques et techniques restreignent, à
l'heure actuelle, l'emploi de ces technologies. De plus, il faut noter que l'application de ces traitements ne permet pas d'améliorer la capacité de déshydratation des boues.
Face à la difficulté de déshydratation des boues d'épuration et des problèmes reliés à l'utilisation des procédés usuels de digestion des boues, divers procédés chimiques et thermique combinés de stabilisation et pré-conditionnement des boues d'épuration ont été développés au cours des dernières années.
Toutefois, ces procédés demeurent pour la plupart trop onéreux pour être employés couramment dans les stations d'épuration municipales et industrielles.
La stabilisation thermique aussi appelée combustion humide, consiste chauffer les boues prsence d'air, de trs fortes pressions en sous (jusqu' 20 MPa et plus) dans but de raliser oxydation pousse de la le une matire organique, simultanmentla transformationphysique des matires collodales (Dollerer et Wilderer, Wat. Sci. Technol., 1993, 28(1), 243-248; Karlsson et Goransson, Wat. Sci. Technol., 1993, 27(5/6), 449-456). Cette technologie de stabilisation sert également au conditionnement thermique des boues. Les boues ainsi traitées peuvent, en effet, être filtrées aisément, avec l'obtention d'une siccité
de gâteaux se situant entre 40 et 70%. Un procédé d'oxydation sous pression (22 MPa) et à haute température (374 °C) a aussi été proposé pour le traitement des déchets biologiques (Modell, Mater. Techno., 1993, 8(7/8), 131 ).
Une autre approche proposée consiste en l'hydrolyse forte de la matière organique des boues par un traitement thermique (150 à 160 °C) en milieu acide (pH 1 à 2) (Everett, Wat. Res., 1974, 8, 899-906). Ce traitement permet une réduction d'environ 90% des matières en suspension et hausse de manière importante la filtrabilité des boues non-hydrolysées. Après traitement, les boues et l'hydrolysat sont neutralisés par addition de chaux, ce qui entraîne la production d'une boue inorganique contenant les métaux lourds extraits, d'une boue organique valorisable par l'amendement des sols, et d'une fraction liquide fortement chargée en matière organique qui est retournée en tête de la chaîne de traitement des boues.
L'augmentation de la température des boues conduit à une transformation irréversible de sa structure physique, surtout si elles contiennent une forte proportion de matières organiques et colloïdales. Durant le chauffage, les gels colloïdaux sont éliminés et l'hydrophilie particulaire diminue fortement. La température de chauffage employée pour le conditionnement thermique varie entre 150 et 200 °C et le temps de cuisson entre 30 et 60 minutes, selon le type de boue et la filtrabilité désirée. Ce mode de traitement est applicable sur toutes les boues à
prédominance organique et permet l'obtention de performances relativement stables par rapport au conditionnement chimique. De plus, ce traitement permet un épaississement important et rapide des boues après cuisson avec l'obtention de boues décantées à plus de 120 g MES/L et même, dans certains cas, plus de 200 g MES/L. La structure des boues est améliorée de sorte qu'une filtration sans apport de réactifs est toujours possible. De fait, de très fortes siccités des gâteaux de filtre-presse sont atteintes (> 50% ST) avec un conditionnement thermique. ll faut également tenir compte que les boues ainsi conditionnées sont stérilisées, donc

5 libres de microorganismes pathogènes. L'association de la digestion anaérobie des boues et du conditionnement thermique est l'une des filières les plus intéressantes, car elle permet la réutilisation optimale du biogaz (méthane). L'implantation du pré-conditionnement thermique requiert cependant un investissement coûteux en comparaison au conditionnement chimique. De plus, ce traitement thermique entraine la production de filtrat fortement chargé en matière organique et en azote ammoniacal qui doit être recyclé en tête de la station d'épuration. Des mesures de prévention spéciales doivent aussi être prises pour limiter les inconvénients occasionnés par la production d'odeurs: couverture des épaississeurs et bassins de rétention, limitation des purges des réacteurs de cuisson et désodorisation de l'air dans les principales enceintes (cuisson, épaississement, déshydratation).
Fujiyasu et al. (brevet canadien No. 1.074.925) ont pour leur part mis au point un procédé de conditionnement chimique de boues biologiques comprenant un apport de 0,5% à 30% de peroxyde d'hydrogène et l'addition d'un ion métallique trivalent (ou plus), à raison de 0,1 % à 10% par rapport à la masse de boues sèches.
Ce procédé comprend également l'ajustement du pH des boues lors du traitement à
des valeurs comprises entre 4 et 9. Ce procédé de conditionnement, par ajout de produits inorganiques, ne comprend toutefois pas d'étape subséquente de floculation des boues par addition de polymères organiques avant leur déshydratation mécanique. Or, la déshydratation des boues biologiques sur des équipements, tel que les filtres à bandes presseuses, requiert toutefois la formation de gros flocs, laquelle nécessite l'ajout de polymères organiques. Les conditions de traitement proposées par Fujiyasu et al. comprenant l'ajout de concentrations élevées de peroxyde d'hydrogène et d'un ion trivalent font en sorte de rendre très difficile l'utilisation subséquente d'un polymère organique.
Divers procéd 'es électrochimiques ont également été proposés pour la décontamination et le conditionnement de boues biologiques (d'origine municipale et industrielle). Par exemple, Held et Chauhan (demande de brevet canadien No.
2.382.357) décrivent un procédé utilisant des décharges électriques (champs électriques pulsés) sous hautes tensions (15 000 à 100 OOOV). Ces brusques variations de champs électriques affectent les cellules bactériennes en provoquant des perturbations physiologiques, entraînant ainsi une libération du liquide inter et

6 intra cellulaire, laquelle permet de réduire jusqu'à environ 50% (p/p) la masse de boues générées après déshydratation mécanique des boues. Les meilleurs rendements de ce système (champs électriques pulsés) sont obtenus en imposant de fortes énergies d'environ 100 J/ml ou encore 400 kWhltbs pour des boues initiales ayant une concentration en solides totaux de 6%. La méthode de traitement des boues développée par Held et Chauhan, permet certes d'améliorer la siccité
des boues, mais elle demeure inefficace pour l'élimination des odeurs nauséabonde.
En effet, la seule imposition de champ électrique pulsé n'induit pas forcément une oxydation des composés malodorants (acides propioniques, acides butyrique et sulfure d'hydrogène), lesquels composés sont couramment présents dans les boues d'épuration. En outre, cette technique requiert des équipements très sophistiqués pour l'imposition d'un champ électrique pulsé et donc très coûteux, ce qui pourrait limiter son domaine d'application et son développement industriel.
Ishigaki (brevet canadien No. 1.334.658) a mis au point une cellule électrolytique pour le traitement des boues d'épuration, laquelle est équipée d'une multitude d'électrodes planes placées en parallèle (anodes et cathodes) et connectées individuellement au générateur de courant capable de délivrer une tension variant entre 1.5 et 20 V. Les électrodes sont disposées de telle sorte qu'une anode soit immédiatement suivie d'une cathode avec une distance inter électrode relativement faible (15 mm). Ce procédé induit la transformation des substances particulaires hydrophiles (organiques et inorganiques) en substances hydrophobes, laquelle permet d'améliorer la filtrabilité des biosolides lors de la filtration mécanique. Une autre particularité de la méthode développée par Ishigaki, réside dans le fait qu'au sein de la cellule électrolytique, il existe une zone prédéfinie située au voisinage de chaque électrode et à l'intérieur de laquelle circule un courant (ou flux) ascendant de boues traitées (mince couche de boues traitées), permettant d'éliminer régulièrement l'accumulation de bulles de gaz (notamment 02 et H2) et de flocs situés entre les électrodes et à la surface de celles-ci. Ceci a pour avantage d'une part, d'éviter l'encombrement des électrodes et, d'autre part, d'améliorer les échanges boues-électrodes en vue de la transformation physique et efficace des boues par oxydation, réduction et neutralisation.

7 Les procédés développés par Held et Chauhan (demande de brevet canadien No 2,382,357) et Ishigaki (brevet canadien No. 1,334,658) ne font pas mention de la présence d'un oxydant bactéricide dont l'action pourrait se prolonger dans les boues à la sortie de l'électrolyseur (effet rémanent). L'effet rémanent de l'oxydant permettrait d'assurer une stabilité à plus ou moins long terme des boues traitées et déshydratées. En effet, dans la plupart des stations d'épuration, les boues déshydratées sont initialement empilées et stockées à la température ambiante avant toute disposition finale (enfouissement, épandage ou incinération).
En particulier, dans la méthode développée par Held et Chauhan (demande de brevet canadien No. 2,382,357), même si les cellules bactériennes ont été
physiologiquement perturbées par application d'un champs électrique pulsé, elles sont en revanche capables de se réactiver lorsqu'elles se retrouvent dans un environnement plus favorable (en l'absence notamment d'effet perturbateur :
champ électrique). Une reviviscence bactérienne pourrait ainsi être observée lors de la période de stockage des boues et par voie de conséquence, entraîner des nuisances olfactives induites par des composés organiques et inorganiques malodorants.
L'objet de la présente invention est de proposer une méthode originale de traitement électrochimique des boues d'épuration permettant d'éviter certains désavantages des procédés de l'art antérieur.
Selon certains modes de réalisation spécifiques, le procédé vise à
oxyder quantitativement les germes pathogènes et réduire simultanément les odeurs nauséabondes tout en améliorant la filtrabilité des boues (hausse de la siccité).
SOMMAIRE DE L'INVENTION
Le procédé proposé s'applique aussi bien aux boues secondaires (biologiques) et mixtes (mélange de boues primaires et secondaires), d'origine municipale et industrielle et ce, optimalement en milieu modérément acide (pH
inférieur à 5,0 et supérieur à 3,5). Une fois le traitement électrochimique réalisé, les boues sont floculées à l'aide d'un agent floculant suivi d'une déshydratation mécanique (ex. filtre à bandes presseuses, filtre presse à plateaux, centrifugeuse, presse à vis, etc.). Les boues déshydratées peuvent être stockées pendant une

8 période relativement longue (2 à 3 semaines) avant toute disposition finale (enfouissement, épandage ou incinération). La présente invention permet avantageusement de générer in situ un oxydant bactéricide à longue durée de vie qui puisse en outre assurer un effet rémanent, à savoir, qui permet d'éviter la recontamination éventuelle des boues traitées.
L'invention concerne en premier lieu un procédé de traitement des boues, notamment des boues issues de l'épuration des eaux usées municipales et des boues d'industries de fabrication de pâtes et papiers, comprenant des germes pathogènes et des molécules génératrices d'odeurs nauséabondes, caractérisé en ce qu'on soumet lesdites boues, amenées à un pH optimalement inférieur à 5,0 et optimalement supérieur à 3,5 en présence ou non d'un électrolyte support, dans un réacteur comprenant au moins une anode et une cathode et soumises à une réaction électrochimique de telle manière que les bactéries et les composés malodorants soient réduits, et en ce qu'on déshydrate plus efficacement lesdites boues ainsi traitées.
Le terme « électrolyte support » réfère ici à un sel inorganique apte à
augmenter la production in situ d'un oxydant et à améliorer la conductivité
des boues. Sans limiter la définition précédente, et selon des modes de réalisation spécifiques de la présente invention, l'électrolyte support est un sel de chlorure. En particulier, ces sels de chlorures peuvent être choisis parmi le NaCI, le CaCl2, le MgCl2, le NH4C1, le KCI et le FeCl3.
Selon une réalisation spécifique de la présente invention, le procédé
concerne traitement électrochimique de conditionnement pré-déshydratation des boues d'épuration caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes acidification des boues de manière à atteindre un pH suffisamment haut pour éviter une corrosion et suffisamment bas pour réduire significativement les indicateurs de pathogènes; traitement des boues acidifiées dans une cellule électrolytique capable de générer in situ un oxydant bactéricide en une concentration suffisamment élevée pour désinfecter les boues et suffisamment basse pour éviter la formation de composés organochlorés dans les boues; électrolyser les boues durant une période de temps suffisante pour stabiliser les boues et améliorer leur déshydratabilité.

9 Selon une autre réalisation spécifique, la présente invention a pour objet un procédé de stabilisation et de conditionnement de boues d'épuration, caractérisé en ce que:
a) on acidifie les boues de façon telle à obtenir des boues acidifiées ayant un pH optimalement compris entre 3,5 et 5,0;
b) on ajoute facultativement dans les boues acidifiées, des ions chlorures à une concentration variant entre 0,6 et 6,0 g CI-iL, par exemplesous la forme de chlorure de sodium (1 à 10 g NaCI/L), si les boues utilisées n'en contiennent pas suffisamment;
c) on traite les boues acidifiées dans une cellule électrolytique fonctionnant à une intensité variant entre 2 et 15A, laquelle est capable de générer in situ un oxydant bactéricide, en l'occurrence l'acide hypochloreux utilisé
pour le traitement des boues en une quantité telle à obtenir une concentration résiduelle variant entre 0,02 et 0,7 g HCIO/L;
d) on impose l'intensité de courant durant une période de temps suffisante, habituellement entre 10 et 120 minutes, pour stabiliser les boues et améliorer leur déshydratabilité;
e) on flocule les boues stabilisées par ajout d'un agent floculant; et f) on déshydrate les boues floculées.
Les étapes (a), (b) et (c) du procédé selon ce mode de réalisation spécifique de l'invention peuvent être réalisées en une, deux ou trois phases de traitement, lesquelles peuvent être opérées aisément en mode cuvée, semi-continu ou continu.
Le terme « agent floculant » réfère ici à tout agent apte à promouvoir l'agrégation des matières en suspension dans les boues. Sans limiter cette définition, des agents tels ies polymères organiques peuvent être utilisés dans le cadre de la présente invention.

Le procédé, selon un mode de réalisation spécifique de la présente invention, concerne le traitement électrochimique des boues d'épuration contenant des germes pathogènes, des composés malodorants et des substances particulaires hydrophiles, en particulier des boues d'épuration municipales et des boues d'épuration d'industrie de fabrication de pâtes et papiers, caractérisé
en ce qu'on soumet lesdites boues, amenées à un pH inférieur à 5,0 et supérieur à
3,5 en présence ou non d'un électrolyte support, dans un réacteur comprenant au moins une anode et une cathode et soumises à une réaction électrochimique de telle manière que les bactéries et les composés malodorants soient éliminés, et en ce qu'on déshydrate plus efficacement lesdites boues ainsi traitées. Selon un mode plus spécifique de réalisation de la présente invention, ledit réacteur est de type cylindrique unique comprenant des électrodes concentriques en métal et disposées de telle sorte qu'une anode soit immédiatement suivie d'une cathode. Selon un mode alternatif de réalisation de la présente invention, ledit réacteur est de type cylindrique unique comprenant une série d'électrodes circulaires (anodes et cathodes) en métal et, placées en position stable et horizontale de telle manière qu'une anode soit immédiatement suivie d'une cathode. Selon un mode alternatif de réalisation de la présente invention, ledit réacteur est de forme parallélépipédique comprenant une série d'électrodes (anode et cathodes) planes et rectangulaires disposées de telle sorte qu'une anode soit immédiatement suivie d'une cathode.
Selon un autre mode plus spécifique de réalisation de la présente invention, les anodes sont fabriquées dans un matériaux choisi parmi le titane recouvert d'oxyde de ruthénium (Ti/Ru02), l'oxyde d'iridium (Ti/Ir02), l'oxyde d'étain (Ti/Sn02) ou de platine (Ti/Pt), et les cathodes sont fabriquées en titane (Ti) ou en acier inoxydable (Inox). Selon un autre mode plus spécifique de réalisation de la présente invention, les électrodes sont en métal déployé ou en plaques pleines. Selon un autre mode spécifique de réalisation de la présente invention, la distance inter-électrode est comprise entre environ 1 et environ 5 cm. Selon un autre mode spécifique de réalisation de la présente invention, l'acidification des boues est effectuée par ajout d'un acide inorganique choisi dans le groupe constitué par les acides sulfurique, chlorhydrique, nitrique et phosphorique, un acide usé industriel et une combinaison de deux ou plus des acides précédents. Selon un autre mode spécifique de réalisation de la présente invention, un électrolyte support est utilisé.
Selon certains modes spécifiques de réalisation de l'invention, l'électrolyte est choisi parmi le groupe constitué du chlorure de sodium, du CaCl2, du MgClz, du NH4C1, du KCI
et du FeCl3. Lorsque le chlorure de sodium est utilisé, il l'est à une concentration plus petite qu'environ 10 glL de boues. Selon un autre mode spécifique de réalisation de la présente invention, l'intensité du courant imposé dans le réacteur électrochimique varie entre 2 et 15A.
Selon un autre mode spécifique de réalisation de la présente invention, le temps de traitement des boues est compris entre environ 10 et environ 120 minutes. Selon un autre mode spécifique de réalisation de la présente invention, la réaction d'oxydation électrochimique est conduite à une température comprise entre environ 10 et environ 60°C, de préférence entre environ 20 et environ 40°C et ce, sans apport extérieur de chaleur, la réaction électrochimique étant elle-même exothermique. Selon d'autres modes spécifiques de réalisation de la présente invention, le procédé est opéré en mode batch, ou semi-continu ou continu.
Selon d'autres modes spécifiques de réalisation de la présente invention, avant leur déshydratation, les boues traitées sont mélangées avec des boues non-traitées.
Selon d'autres modes spécifiques de réalisation de la présente invention, les boues ont une concentration initiale en solides totaux variant entre environ 5 et environ 50 g/L. Selon d'autres modes spécifiques de réalisation de la présente invention, les boues sont choisies dans le groupe constitué par les boues primaires, les boues secondaires, les boues mixtes, les boues domestiques, ies boues municipales, les boues de papetières, les boues de raffineries, les boues agro-alimentaires, les boues de fosses septiques, les boues de lagunes, les boues de désencrage et une combinaison de deux ou plusieurs de ces types de boue. Selon d'autres modes spécifiques de réalisation de la présente invention, les boues traitées peuvent être complètement (pH Z 7) ou partiellement (pH < 7) neutralisées par addition d'un agent alcalin. Selon d'autres modes spécifiques de réalisation de la présente invention, les boues traitées, neutralisées ou non, sont floculées par l'addition d'un polymère organique avant leur déshydratation. Selon d'autres modes spécifiques de réalisation de la présente invention, les boues traitées et déshydratées sont neutralisées par addition d'un agent alcalin immédiatement, ou après une période de stockage des boues. Selon d'autres modes spécifiques de réalisation de la présente invention, l'agent alcalin employé pour neutraliser les boues est choisi parmi le groupe constitué de la chaux, l'hydroxyde de sodium, le carbonate de calcium, l'hydroxyde d'ammonium, l'hydroxyde de magnésium, la dolomie, une base usée industrielle et une combinaison de deux ou plus de ces agents alcalins.
Selon d'autres modes spécifiques de réalisation de la présente invention, les boues traitées et déshydratées peuvent être stockées pendant une période se situant entre environ 1 et 6 mois sans émanation d'odeurs nauséabondes.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION
Le procédé consiste en un traitement des boues par une réaction électrochimique en milieu optimalement modérément acide (3,5 < pH < 5,0), effectué dans un réacteur capable de générer in situ un oxydant (HCIO) en présence d'ions chlorures ajoutés ou déjà présents dans les boues d'ëpuration.
L'acidification des boues est préférentiellement effectuée avec l'acide sulfurique. La quantité de HCIO générée varie avec l'intensité du courant imposée, le temps d'imposition du courant et la concentration d'ions chlorures en solution. Les ions chlorures sont ajoutés aux boues si les boues utilisées n'en contiennent pas suffisamment.
Ces ions sont injectés sous forme de chlorure de sodium à des concentrations variant entre 1 et 10 g NaCI/L de boues. Lors de l'électrolyse, les ions chlorures sont oxydés en acide hypochloreux, de façon telle à obtenir une concentration résiduelle de HCIO variant entre 0,02 et 0,7 g/L dans les boues traitées. L'addition de l'acide inorganique (tel le H2S04) et optionnellement d'ions chlorures, peut être effectuée simultanément, c'est à dire en une seule phase, ou encore en deux phases, soit une acidification initiale des boues, suivie de l'addition d'ions chlorures.
L'acidification des boues peut être effectuée par exemple avec de l'acide sulfurique, chlorhydrique, nitrique, phosphorique ou un acide usé. On utilise de préférence l'acide sulfurique. Dans le cas du procédé opéré en deux phases, l'acidification initiale des boues, avant l'ajout d'ions chlorures s'effectue habituellement à un pH se situant entre 3,5 et 5,0. Une acidification moins importante des boues (pH > 5,0) cause une perte d'efficacité au niveau de la destruction des indicateurs de pathogènes (coliformes fécaux et totaux). D'un autre côté, une acidification plus prononcée des boues (pH < 3,5) cause une corrosion prématurée des équipements de déshydratation et hausse considérablement le coût en produits chimiques. Aussi, une acidification prononcée des boues est favorable à
la formation de composés organochlorés.
L'utilisation d'un sel inorganique tel que le chlorure de sodium permet d'une part, d'améliorer la conductivité (électrolyte support) des boues et, d'autre part, d'enrichir les boues en ions chlorures nécessaire à la production de l'oxydant (HCIO). L'oxydation anodique des ions chlorures en chlore gazeux est suivie de sa dismutation en solution et conduit à la formation d'acide hypochloreux (HCIO), laquelle réaction est favorable en milieu légèrement acide (3,5 < pH < 5,0).
L'hydrolyse du chlore se fait très rapidement, en quelques secondes, si bien que les boues ne sont pas traitées avec le C12 mais plutôt avec HClO.
On peut schématiser les réactions selon les équations suivantes - à l'anode CI - -~ CI Z + 2e -- en solution CIZ +2Hz0 p HClO+Cl-+H30' II est également possible d'envisager, une réaction de dissociation de l'acide hypochloreux telle que HClO + Hz0 r~ Cl0- + H30+
La dernière réaction conduit à la formation de l'ion hypochlorite (CIO-) qui est également un oxydant bactéricide mais moins efficace que l'acide hypochloreux (HCIO). On a pu remarquer que, d'une façon générale, les oxydants moléculaires sont plus bactéricides que les oxydants ioniques. En effet, les composés moléculaires traversent très généralement beaucoup plus facilement les membranes bactériennes que les ions.

Par conséquent, selon un mode de réalisation spécifique de l'invention, on acidifie les boues au pH optimal (3,5 < pH < 5,0) par l'acide sulfurique en vue de générer majoritairement la forme moléculaire de l'oxydant (HCIO) suite à
l'oxydation anodique des ions chlorures.
Lors de l'électrolyse, il est désirable, pour un fonctionnement optimal de générer des concentrations d'acide hypochloreux, de façon telle à obtenir une concentration résiduelle de HCIO variant entre environ 0,02 et 0,7 g/L dans les boues, en vue d'obtenir un effet optimal de d'esinfection des boues (ex.
enlèvement des coliformes fécaux et totaux), une élimination efficace des odeurs, ainsi qu'une amélioration significative de la déshydratabilité des boues.
Une électrolyse des boues effectuée de façon telle à obtenir une concentration résiduelle de HCIO supérieure à 0,7 g/L entraîne des coûts d'opération importants et engendre une grande hydrolyse de la matière organique des boues, ce qui résulte généralement en une augmentation importante et non-désirée de la concentration de matière organique en solution dans les filtrats ou surnageants lors de la déshydratation des boues. Aussi, une forte concentration de HCIO est susceptible d'entrainer la formation des composés organochlorés dans les boues traitées.
Les boues traitées sont ensuite floculées par addition d'un agent floculant. L'utilisation d'un pH modérément acide, inférieur à 5,0 et supérieur à 3,5, permet de ne pas avoir recours à une neutralisation des boues avant leur floculation par addition de polymères et subséquemment, leur déshydratation mécanique au moyen d'un filtre-presse, filtre à bandes presseuses, centrifugeuse, pressoir rotatif, presse à vis, etc.
Selon une réalisation spécifique, l'agent floculant utilisé pour la floculation des boues traitées est l'un des polymères organiques usuels employés pour la floculation des boues dans les stations d'épuration des eaux usées. Ä
titre d'exemples, on peut citer les polymères cationiques ou anioniques vendus sous les marques de commerce PercoITM et ZietagT"' par la Société Ciba Spécialités Chimiques Canada Inc., et LPMT"' par la Société LPM Technologies Inc. De plus, la déshydratation des boues légèrement acides permet de stocker les boues pendant une longue période de temps sans avoir reprise de la putrescibilité des boues.
Facultativement, les boues peuvent aussi être complètement (pH >_ 7) ou partiellement (pH < 7) neutralisées par addition d'un agent alcalin avant la phase de floculation des boues. La neutralisation complète ou partielle des boues peut aussi être immédiatement effectuée après leur déshydratation, ou encore, après une période de stockage des boues déshydratées. L'agent alcalin employé pour neutraliser les boues peut être par exemple de la chaux, de l'hydroxyde de sodium, du carbonate de calcium, de l'hydroxyde d'ammonium, de l'hydroxyde de magnésium, de la dolomie ou une base usée industrielle.
II est également possible de mélanger les boues ayant subi le traitement acide et oxydant avec des boues non-traitées, puis de floculer les boues mélangées par addition d'un agent floculant et, finalement, de déshydrater celles-ci avec un équipement usuel de déshydratation mécanique. Cette façon de faire est particulièrement performante dans le cas du traitement acide et oxydant de boues biologiques (boues secondaires), lesquelles sont ensuite mélangées avec des boues primaires non-traitées. De manière générale, le procédé peut toutefois être employé pour le traitement des divers types de boues issues du traitement des eaux usées d'origines domestiques, municipales ou industrielles (primaires, secondaires, mixtes, papetières, raffineries, agro-alimentaires, fosses septiques, lagunes, désencrage, etc.).
La cellule électrolytique, non compartimentée est constituée d'au moins une anode et une cathode insolubles. De préférence, on utilise une anode à
forte surtension en oxygène de telle manière que l'oxydation des ions chlorures en acide hypochloreux (HCIO) s'effectue préférentiellement à l'oxydation de l'eau en oxygène.
Le procédé selon la présente invention agit à trois niveaux sur les cellules bactériennes a) une action électrochimique directe par oxydation à l'anode. Cette oxydation désactive les bactéries (perturbation physiologique) en oxydant les inclusions protéiques de la membrane cytoplasmique constituées en majorité de phospholipides et protégeant la bactérie;
b) une action induite par le champ électrique. La brusque variation de champ électrique par un passage rapide de l'anode vers la cathode perturbe également de façon physiologique fes cellules bactériennes;
c) une action électrochimique complémentaire indirecte par génération in situ de l'acide hypochloreux. L'acide hypochloreux formé permet de détruire définitivement les bactéries préalablement désactivées à l'anode et, de prolonger ainsi l'effet microbicide à la sortie de l'électrolyseur, notamment lors de l'entreposage des boues déshydratées.
Selon un autre aspect avantageux de la présente invention, le réacteur électrochimique permet d'oxyder directement à l'anode et en solution (par action de l'acide hypochloreux) les composés organiques solubles liés aux matières colloïdales et empêchant la déstabilisation de ces dernières. L'action directe et indirecte sur les matières particulaires hydrophiles est favorable à une meilleure agrégation des particules colloïdales et une déshydratation efficace des boues traitées. En comparaison à l'art antérieur connu, la présente invention présente donc une cellule électrolytique particulièrement favorable au conditionnement des boues d'épuration.
Les composés malodorants (l'acide propionique, l'acide butyrique, le sulfure d'hydrogène etc.) sont directement oxydés à l'anode et indirectement oxydés en solution par l'acide hypochloreux.
Selon une variante spécifique, la réaction électrochimique est effectuée à une température comprise entre environ 20 et 60°C et avantageusement entre 20 et 40°C sans apport extérieur de chaleur. La réaction électrochimique étant elle-même exothermique. Lors de l'électrolyse, une augmentation spontanée et progressive de la température est observée. Comme cela a été mentionné dans la description de l'art antérieur (Everett, Wat. Res., 1974, 8, 899-906), une augmentation de la température conduit à une transformation de la structure physique des boues, laquelle induit une diminution de l'hydrophilie particulaire, ce qui est favorable à une meilleur déshydratation des boues. Aussi, une augmentation de la température a pour effet d'augmenter les vitesses de réaction chimique et biochimique.
Selon une variante du procédé, l'anode peut se présenter sous la forme de cylindre en métal déployé de titane recouvert d'oxyde de ruthénium ou d'oxyde d'iridium (Ti/Ru02 ou Ti/1r02) et la cathode peut se présenter sous la forme de cylindre en métal déployé, par exemple de titane (Ti). Ces électrodes (anode et cathode) sont de mailles appropriées de sorte à éviter l'obstruction de celles-ci lors du traitement. Par exemple, l'anode et la cathode peuvent avoir des caractéristiques de mailles suivantes : longueur LD = 12 mm; largeur AU = 6 mm et largeur de la fente N= 4 mm. Ces paramètres peuvent être déterminés avec précision par la personne du métier en fonction des caractéristiques des boues à traiter. La Figure 1 présente une vue schématique de la structure des mailles des électrodes pouvant être utilisées.
De telles électrodes en métal déployé offrent une bonne tenue mécanique, une grande surface d'échange par rapport aux électrodes pleines et constituent, de fait, de bons promoteurs de turbulence permettant ainsi d'une part, d'éviter l'adsorption de bulles de gaz sur les électrodes et d'autres part, d'accroître le coefficient de transfert électrode-boue. Un des procédés selon un mode de réalisation spécifique de la présente invention utilise donc une configuration d'électrode différente de celle décrite dans l'art antérieur, lequel utilise des électrodes planes et pleines (brevet canadien No. 1,334,658).
Le courant appliqué est en partie fonction de la durée de l'électrolyse.
Ces paramètres doivent être adaptés en fonction de la nature des boues à
traiter.
On notera néanmoins qu'une électrolyse de courte durëe avec des courants faibles permet d'obtenir un meilleur rendement faradique pour la production in situ de l'acide hypochloreux, mais au détriment du rendement chimique. Dans une application industrielle, il convient d'adapter les paramètres de ce procédé
en fonction du degré de contamination des boues (germes pathogènes, composés malodorants) et de la concentration en solides totaux. Lors du traitement, l'intensité
du courant est généralement comprise entre 2 et 15A et la durée de la réaction électrochimique se situe généralement entre environ 10 et 120 minutes.

A titre d'illustration, la Figure 2 jointe à la présente description décrit une vue schématique d'un réacteur électrochimique permettant de réaliser le procédé de traitement selon un mode de réalisation spécifique de l'invention.
Selon cette Figure, le réacteur (1) cylindrique (2), est muni d'un agitateur mécanique (3) actionné par un moteur (4). L'anode (5) est un cylindre en métal déployé
disposé
coaxialement autour de l'agitateur et la cathode (6) est placée coaxialement à
l'agitateur autour de celui-ci de façon à ce que la surface de la cathode soit de grande surface par rapport à celle de l'anode. L'anode et la cathode sont reliées à
un générateur de courant continu (7). L'agitateur est une tige métallique munie d'une hélice et entièrement recouverte de plastique en PVC ou en téflon, de sorte à
éviter une polarisation de la tige et une perturbation de la réaction électrochimique. La distance inter-électrode se situe entre environ 1 et 5 cm. Notez que lorsqu'on réfère dans la présente à un intervalle, le terme « environ » s'applique toujours aux deux extrémités de l'intervalle.
Selon une autre variante du procédé (voir Figure 3), le réacteur peut être sous forme cylindrique (1), constitué d'électrodes volumiques. L'anode (2) peut se présenter sous forme circulaire en métal déployé de titane recouvert d'oxyde de ruthénium ou d'oxyde d'iridium (Ti/Ru02 ou Ti/IrOz) et la cathode (3) peut se présenter sous forme circulaire en métal déployé, par exemple de titane (Ti) ou d'acier inoxydable (Inox). La cellule électrolytique est constituée d'une série d'électrodes (anodes et cathodes) placées en position stable et horizontale et connectées individuellement au générateur de courant. Les électrodes sont disposées (en parallèle) de telle sorte qu'une anode soit immédiatement suivie d'une cathode avec une distance inter électrode pouvant varier entre environ 1 et 5 cm. En mode continu, la cellule est alimentée du bas (4) vers le haut (8) à l'aide d'une pompe (5) et les boues traversent successivement l'anode et la cathode. Des plaques (10) en PVC perforées de trous (distributeurs), placées à l'entrée et à la sortie de l'électrolyseur permettent d'assurer une répartition des boues sur toute la surface des électrodes. Une pompe (7) à fort débit assure la recirculation d'une partie des boues (ayant traversé la cellule) afin d'assurer une agitation suffisante à
l'intérieur de la cellule électrolytique. Un systëme d'évent (9) fixé sur un entonnoir (11) permet l'évacuation des gaz. Les boues brutes non traitées sont stockées dans un réservoir (6). Les boues traitées sont acheminées vers le point d'injection du polymère (12).
Selon une autre variante du procédé, le réacteur peut être sous forme parallélépipédique, constitué d'électrodes volumiques. L'anode peut se présenter sous forme rectangulaire en métal déployé de titane recouvert d'oxyde de ruthénium ou d'oxyde d'iridium (Ti/Ru02 ou Ti/Ir02) et la cathode peut se présenter sous forme rectangulaire en métal déployé, par exemple de titane (Ti) ou d'acier inoxydable (Inox). La cellule électrolytique est ainsi constituée d'un ensemble d'électrodes placées en parallèle (anodes et cathodes) et connectées individuellement au générateur de courant. Les électrodes sont disposées de telle sorte qu'une anode soit immédiatement suivie d'une cathode avec une distance inter électrode pouvant varier entre environ 1 et 5 cm. La cellule électrolytique est également munie d'un système de recirculation des boues (à fort débit) afin d'assurer une agitation suffisante à l'intérieur celle-ci.
La présente invention concerne, selon un mode spécifique de réalisation, un procédé, pouvant avantageusement étre intégré dans les chaînes de traitement des boues en opération sans devoir occasionner des modifications majeures. De plus, l'aspect non polluant de l'électricité, la facilité
d'automatisation qu'elfe apporte, ainsi que la réduction du volume d'équipement sont des paramètres qui caractérisent la présente invention, comparativement à l'art antérieur utilisant des digesteurs ou des réacteurs de dimensions importantes. Aussi, la génération in situ d'un oxydant pour le traitement des boues, donne également un avantage pratique à la présente invention, car elle permet d'une part de s'affranchir des difficultés liées au transport et la manutention du produit traitant et d'autre part, elle permet de stocker les boues traitées et déshydratées pendant une longue période et ce, sans émanation d'odeurs désagréables.
Le procédé selon l'invention peut être intégré dans les chaînes actuelles de traitement des boues en opération dans les usines d'épuration, sans devoir apporter de correctifs aux installations de traitement et de déshydratation des boues déjà en place. Le procédé permet d'améliorer significativement les caractéristiques de déshydratabilité des boues en haussant la siccité des boues lors de leur déshydratation mécanique. De plus, cette technologie est plus performante que les technologies usuelles de digestion aérobie ou anaérobie mésophiles pour les destructions des indicateurs bactériens de pathogènes (> 5 unités logarithmiques de réduction des coliformes fécaux et totaux ou élimination de plus de 99,9%) et permet donc une stabilisation efficace des boues. Finalement, l'application de cette technologie n'affecte pas de manière significative le contenu en éléments fertilisants des boues déshydratées et permet de réduire considérablement la génération d'odeurs des boues.
L'invention a été décrite de façon générale, et est maintenant illustrée par des exemples (non limitatifs) de réalisation donnés à titre indicatif.
lo Exemple 1 : Traitement de boues d'ëpuration municipales Le procédé selon l'invention a été testé sur des boues d'épuration issues du traitement d'eaux usées municipales. La concentration initiale en solides totaux de ces boues était de 21,6 g/L. Le réacteur électrochimique utilisé
pour les essais est schématisé à la Figure 2. La cellule électrolytique cylindrique, en Plexiglas, est constituée de deux électrodes concentriques et munie d'un agitateur à
hélices en TéflonT"". La cathode est un cylindre en déployé de titane de marque ElectrolyticaT"", de rayon 9 cm, de hauteur 28 cm, d'aire de maille 9,08 dm2 et d'aire de surface vide entre les mailles 7,87 dmz. L'anode placée au centre, entourant la tige de l'agitateur, est un cylindre en déployé de titane de marque ElectrolyticaT"", de rayon 5 cm, de hauteur 28 cm, d'aire de maille 5,04 dm2 et d'aire de surface vide entre les mailles 4,37 dm2. Le volume traité était de 5,0 L et seulement un tiers de la surface active de l'anode (0,191 dm2) et de la cathode (0,344 dm2) était immergé
dans l'effluent à traiter.
Une série d'expériences a été effectuée à intensité de courant et température variables en mode batch. L'acidification préalable des boues a été
effectuée par addition d'acide sulfurique concentré (H2S04, 10 N), ou d'acide chlorhydrique concentré (HCI, 3 N). Les boues ont été soumises à une électrolyse de 30 min, période au cours de laquelle les boues ont été continuellement agitées.
Une fois traitées, les boues ont été floculées par addition d'un polymère organique cationique vendu sous la marque de commerce Zetag 7689T"" et les boues ont été
filtrées sous vide pendant une période de 10 minutes et sous une pression de 750 mm Hg. L'unité de filtration SV1 utilisée lors des essais, comprenait une pompe vacuum, un buchner et des membranes Whatman 934AHT"" (marque de commerce) ayant une porosité de 1,5 wm. La siccité des boues déshydratées a été par fa suite mesurée après séchage de celles-ci à 105°C pendant une période de 24 h.
Les filtrats ont été conservés pour des analyses chimiques (demande chimique en oxygène (DCO), azote ammoniacal (N-NH4) et nitrates/nitrites (N-(NO~/N02)).
Les conditions expérimentales imposées et les résultats obtenus sont indiqués au Tableau 1. Les données fournies à la colonne CONT correspondent aux résultats de l'essai contrôle (sans traitement) effectué en triplicata et servant comme base de comparaison avec les boues traitées. Lors de l'essai A, aucun réactif n'a été ajouté aux boues avant électrolyse, contrairement aux essais B, C et D au cours desquels une acidification préalable a été effectuée suivie ou non de l'ajout de chlorure de sodium. Les consommations de réactifs chimiques sont données en kilogramme de produits à 100% (pur) par tonne de boues sèches (tbs). L'énergie consommée lors de l'électrolyse est exprimée en kilowattheure par tonne de boues sèches (kWh/tbs).
Les pH finaux mesurés fors des essais se situent entre 4,53 et 6,81 alors que les valeurs de POR finales sont comprises entre -181 et 129 mV. Lors des essais, une consommation d'acide sulfurique de 14,6 ou 27,6 kg H2S0~ltbs a été
employée. En ce qui concerne l'acide chlorhydrique, un apport de 31,0 kg/HCI a été
testé. D'autre part, un ajout de 92,5 kg NaCI/tbs (4,3 g NaCI/L) a été
effectué lors des essais.
Le dosage optimal de polymère pour la floculation des boues non-traitées se situait approximativement à 1,9 kg/tbs. En comparaison, des concentrations de 1,4 et 2,3 kg polymère/tbs ont été requises pour la floculation des boues traitées. Aussi, une consommation énergétique variant entre 252 et 1480 kWh/tbs a été requise pour la stabilisation des boues.
Une valeur moyenne de siccité de 12,5°l0 (p/p) a été mesurée lors de l'essai contrôle (CONT) de déshydratation des boues non-traitées effectué en triplicata. L'application du procédé (essais B, C et D) a permis d'accroître la siccité à
des valeurs comprises entre 14,4 et 23,0%, soit des gains de 1,9 à 10,5 points de siccité. Cette hausse de la siccité des boues déshydratées permet de réduire la quantité de boues générées, soit entre 13,3 et 45,8% (p/p). En revanche, une perte de siccité de 1,2 points a été enregistrée suite à l'application du procédé
effectuée sans acidification initiale des boues, ni ajout préalable de chlorure de sodium. II est important de noter que lors des essais B, C et D, l'ajout de réactifs NaCI ou HCI a permis d'enrichir les boues en ion chlorure, lequel est favorable à la production in situ d'acide hypochloreux nécessaire à la désinfection et à désodorisation des boues.

Tableau 1 Essais de pré-conditionnement et de stabilisation électrochimique de boues d'une station d'épuration d'eaux usées municipales Paramètres Essais CONT A B C D
pH final 6,81 6,81 4,90 4,97 4,53 POR final (mV) -200 -181 63 81 129 Temperature(C) 25,0 31,0 23,0 29,9 41,2 Intensit (A) 0,0 5,0 5,0 10,0 10,0 Conductivit (mS/cm2) 1, 28 1,10 5,63 5, 37 3, 72 Dure du traitement - 30 30 30 30 (min) Unit de filtration SV1 SV1 SV1 SV1 SV1 Consommation (kgltbs) H2S04 0,0 0,0 14,6 27,4 0,0 HCI 0,0 0,0 0,0 0,0 31,0 NaC1 0,0 0,0 92,5 92,5 0,0 Polymre 1,9 2,3 1,4 2,3 1,4 nergie (kW/tbs) 0,0 807 257 842 1 480 Valeur fertilisante DCO filtrat (mglL) 489 417 831 1 280 1 190 N-NH4 filtrat (mg/L) 67,7 61,6 68,5 80,7 85,7 P-P04 filtrat (mg/L) 11,7 6,23 12,8 11,0 14,6 N02/N03 filtrat (mg/L)0,19 0,40 0,39 0,15 0,24 Dshydratation Siccit finale (% p/p)12,5 11,3 15,7 14,4 23,0 Rduction de la masse - -10,2 20,2 13,3 45,8 (%

p/p) SV1 : unité de filtration sous vide ayant une surface filtrante de 78,5 cm2 La production in situ de HCIO est également utile à l'oxydation de composés organiques dissous fixés sur les matières colloïdales. L'action de HCIO
sur ces matières solubles permet une meilleure agrégation des matières colloïdales et une déshydratation plus efficace des boues traitées. A cela, s'ajoute une augmentation de la température lors de l'électrolyse, laquelle induit une transformation physique des boues, favorable à une meilleure déshydratation des boues. En particulier, la meilleur siccité des boues déshydratées (23,0% plp) enregistrée lors de l'essai D est en partie attribuée à une augmentation appréciable de la température (41,2°C).
La conservation des éléments fertilisants des boues suite à
l'application du procédé a été évaluée par la mesure de la concentration de DCO, de P-P04, de N-NH4 et de N-(NO~/N02) dans les filtrats de déshydratation des boues. Les valeurs mesurées montrent que l'application du procédé n'induit pas une perte appréciable de la valeur fertilisante des boues, notamment en ce qui concerne les éléments P-P04, N-NH4 et N-(N03/N02). En revanche, l'application du procédé
entraine une hausse de la concentration initiale de la DCO (489 mg/L) à des valeurs comprises entre 831 et 1280 mg/L. Cette augmentation de la DCO dans le filtrat de déshydratation des boues traitées est principalement attribuée à l'action de HCIO
sur les molécules organiques initialement liées à la fraction solide des boues, le temps de traitement n'étant pas suffisamment long pour obtenir une oxydation complète de ces composés organiques solubilisés (formation de H20 et dégagement de C02).
Cette première série d'essais a ainsi démontré qu'il était possible de transformer efficacement les substances hydrophiles particulaires des boues en substances hydrophobes, lequel permet d'améliorer de façon significative la déshydratation des boues tout en conservant leur valeur fertilisante.
Le procédé a ensuite été appliqué aux boues municipales en y injectant cette fois, différentes concentrations de chlorures de sodium, suivi de la déshydratation à l'aide d'une unité de filtration sous vide (SV2) ayant une surface filtrante relativement importante (comparativement à l'unité de filtration SV1 ) et équipée de membranes à porosité élevée. La procédure expérimentale est succinctement décrite à l'exemple 2.
Exemple 2 : Traitement de boues d'épuration municipales La concentration moyenne en solides totaux des boues municipales utilisées pour les essais est de 22,6 glL, soit de 2,3% de solides. Le processus expérimental employé est quasi identique à celui utilisé dans l'exemple précédent.
Le pH initial des boues est ajusté par addition d'acide sulfurique.
Différentes concentrations de NaCI (0, 2, 4, 6 et 8 g/L) ont été ajoutées aux boues afin de déterminer la concentration optimale pour laquelle une meilleure déshydratation et une meilleure désinfection sont obtenues. Aussi, l'ajout de NaCI permet d'améliorer la conductivité du milieu réactionnel et de réduire ainsi la consommation énergétique.
Les boues sont placées dans le réacteur précédent (Figure 2), maintenues sous agitation mécanique et électrolysées pendant une période de 60 minutes sous une intensité de courant de 8,OA.
La déshydratation subséquente des boues a été effectuée à l'aide d'une unité de filtration sous vide (SV2) ayant une surface filtrante de 201 cm2 et équipée de membranes Whatman (marque de commerce) No.°4 de diamètre de pores variant entre 20 et 25 ~,m. Des échantillons de boues non-filtrées ont été
conservés pour les mesures de coliformes fécaux et totaux par la technique du nombre le plus probable (NPP).
Le Tableau 2 présente les conditions expérimentales utilisées lors des essais, ainsi que les principaux résultats. Les pH finaux mesurés se situent entre 3,85 et 5,10, alors que les valeurs de potentiels d'oxydoréduction (POR) sont comprises entre 280 et 635 mV. Les consommations d'acide sulfurique sont de 29,2 et 23,3 kgH2S0~/tbs, alors qu'une consommation de NaCI variant entre 88,5 et 354 kg NaCl/tbs a été également utilisée. De plus, une consommation énergétique variant entre 644 et 2340 kwh/tbs a été requise lors des essais. L'apport de NaCI
dans les boues (essais F, G, H et I) permet de réduire jusqu'à 72% la quantité
d'énergie consommée comparativement à l'essai E au cours duquel aucun n'ajout 2s de NaCI n'a été effectué. Les dosages optimaux pour la floculation des boues traitées et non traités se situent à environ 2,5 kgJtbs, à l'exception de l'essai H au cours duquel une concentration de 3,0 kg polymère/tbs a été testée.

Tableau 2 Essais de pré-conditionnement et de stabilisation électrochimique de boues d'une station d'puration d'eaux uses municipales Paramtres Essais CONT E F G H I

pH final - 3,85 4,51 4,75 5,10 4,96 POR final (mV) - 280 405 635 430 480 Temprature (C) 10,0 40,1 27 23 21,5 20,3 Intensit (A) 0,0 , 8,0 8,0 8,0 8,0 8,0 Conductivit (mS/cm2)1,6 2,5 5,3 7,8 10,3 14,8 Dure du traitement- 60 60 60 60 60 (min) Rsiduel de HCIO 0,0 0,11 0,28 0,39 0,50 0,68 (g/L) Unit de filtrationSV2 SV2 SV2 SV2 SV2 SV2 _ Consommation (kgltbs) H2S04 0,0 29,2 23,3 23,3 23,3 23,3 NaCI 0,0 0,0 88,5 177 266 354 Polymre 2,5 2,5 2,5 2,5 3,0 2,5 nergie (kWh/tbs) 0,0 2340 1250 899 729 644 Microorganismes Col. fcaux (NPP/gbs)140 000 885 1 130 133 < 1 < 1 Col. totaux (NPPlgbs)355 000 1 600 2 000 412 115 < 1 Dshydratation Siccit finale (% 25,3 32,4 32,2 34,1 23,5 25,8 p/p) Rduction masse - 21,9 21,4 25,9 -7,6 1,9 (%

p/p) SV2 : unit de filtrtion une surface sous vide ayant filtrante de 201 cm2 La siccité moyenne obtenue après déshydratation des boues non traitées (essai CONT) est de 25,3%. L'application du procédé (essais E, F et G) permet d'accroïtre la siccité des boues déshydratées entre 32,2 et 34,1 %, soit des gains de 6,9 à 8,8 points de siccité. Cette hausse de la siccité des boues déshydratées permet de réduire de 21,4 à 25,9% la quantité de boues générées.
En revanche, la siccité diminue (essais H et I) lorsque la concentration du chlorure de sodium est fixée à 266 ou 354 kg/tbs. Cette baisse de la siccité pourrait être attribuée à une concentration résiduelle de HCIO relativement élevée (0,5 et 0,7 g/L
respectivement), laquelle est susceptible d'interférer avec le floculant et empêcher ainsi une bonne floculation des boues. La meilleure siccité des boues déshydratées (34,2%) est obtenue pour concentration optimale de chlorure de sodium de 177 kg NaCI/tbs et une concentration résiduelle d'acide hypochloreux de 0,4 g HCIOIL.
L'efficacité désinfectante du procédé a également été évaluée.
L'application du procédé permet une élimination efficace des indicateurs de pathogènes, en l'occurrence les coliformes fécaux et totaux. Ainsi, des concentrations relativement élevées de coliformes fécaux et totaux de 140 000 et 355 000 NPP/gbs ont été respectivement mesurées dans les boues non traitées.
En comparaison, des concentrations résiduelles de coliformes fécaux intérieures 1 NPP/gbs (abattement supérieur à 5 unités logarithmiques) ou comprises entre et 1 130 NPP/gbs ont été mesurées dans les boues traitées. Les mesures de concentrations résiduelles de coliformes totaux effectuées sur les boues traitées indiquent des concentrations inférieures à 1 NNP/gbs (abattement supérieur à 5 unités logarithmiques) ou comprises entre 115 et 2 000 NPP/gbs.
En somme, l'analyse de l'ensemble des résultats présentés dans le Tableau 2, montre que l'essai G serait l'essai optimal pour la stabilisation et le conditionnement des boues municipales étudiées. Cet essai requiert une dose optimale de 177 NaCI kg/tbs, une concentration de 23,3 H2SOa kg/tbs, une dose de 2,5 kg polymère/tbs et une consommation énergétique 899 kwh/tbs. Une siccité
relativement élevée de 34,1 % (p/p) et un abattement de coliformes fécaux et totaux allant jusqu'à 3 unités logarithmiques (> 99,9% de réduction) ont été obtenus.

Dans l'optique de vérifier la reproductibilité des résultats obtenus suite à l'application des conditions optimales de traitement des boues municipales, une troisième série d'essais a été effectuée selon la procédure décrite à
l'exemple 3 suivant.
Exemple 3 : Traitement de boues d'épuration municipales Cinq litres de boues municipales préalablement acidifiées, contenant 4 glL de NaCI (177 kg NaCI/tbs) ont été électrolysées dans le même appareil (Figure 2) pendant 60 minutes sous une intensité de courant de 8,OA. La déshydratation subséquente des boues a été effectuée à l'aide d'une unité de filtration sous vide (SV2). Ces essais de stabilisation électrochimique, suivis de la floculation et déshydratation des boues ont été effectués en triplicata. Des essais de floculation et de déshydratation des boues non-traitées ont également été effectués en triplicata et comparés aux boues traitées. Le Tableau 3 compare les conditions expérimentales et les principaux résultats de déshydratation des boues.
A la fin du traitement électrochimique, la valeur moyenne de pH des boues est de 4,81 ~ 0,18 alors que celle du POR est de 437 ~ 33 mV. Dans le cas des boues non traitées une valeur moyenne de pH de 6,81 t 0,15 et une valeur moyenne de POR de -115 t 49 mV a été mesurée. Les valeurs négatives de POR
mesurées dans les boues non traitées sont caractéristiques d'un milieu très réducteur. En comparaison, les valeurs élevées de POR mesurées dans les boues traitées indiquent un milieu très oxydant favorisé par la production de HCIO
in situ lors de l'électrolyse.
La température moyenne initiale des boues était de 11,3 ~ 0,4°C, alors que celle des boues traitées était de 26,4 t 1,8°C. Lors des essais, la conductivité
du milieu est passée d'une valeur moyenne de 2,3 t 0,7 mS/cmz (boues initiales) à
une valeur finale de 8,2 t 0,4 mS/cm2 (boues traitées). La conductivité du milieu est donc relativement bonne. Aussi, une consommation énergétique de 862 ~ 9 kWh/tbs a été requise pour le traitement des boues.

Le dosage optimal de polymère pour la floculation des boues non traitées se situait approximativement à 1,9 kg/tbs alors qu'un ajout de 2,5 kg/tbs a été requis pour la floculation des boues traitées.

Tableau 3 Essais de pré-conditionnement et de stabilisation électrochimique de boues d'une station d'épuration d'eaux usées municipales Paramètres Essais a Boues non traitées Boues traitées pH final 6,35 t 0,15 4,81 0,18 POR final (mV) -115 49 437 t 33 Intensit (A) 0,0 0,0 8,0 0,0 Temprature (C) 11,3 0,4 25,6 t 1,8 Conductivit (mS/cm2) 2,31 0,69 8,2 0,4 Unit de filtration SV2 SV2 Consommation (kg/tbs) H2S04 0,0 t 0,0 23,3 0,0 NaCI 0,0 0,0 177 0 Polymre 1,85 f 0,00 2,51 0,00 nergie (kWh/tbs) 0,0 t 0,0 862 9 Valeur fertilisante DCO filtrat (mg/L) 902 50 1 400 40 N-NH4 filtrat (mg/L) 76,1 5,3 76,8 1,7 P-P04 filtrat (mg/L) 4,6 1,0 2,6 0,1 K filtrat (mg/L) 94,2 9,5 121 1 Ca filtrat (mglL) 59,7 2,8 124 2 Mg filtrat (mg/L) 66,6 1,9 97,3 t 1,2 Microorganismes Coliformes Fcaux (NPP/gbs)200 000 21 000 < 1 Coliformes Totaux (NPP/gbs)1 200 000 310 000 26 t 5 Dshydratation Siccit finale (% p/p) 23,9 t 1,3 33,4 1,4 Rduction de la masse - 29,3 3,0 (%

P/P) a : essais effectués en triplicata SV2: unité de filtration sous vide ayant une surface filtrante de 201 cm2 Une valeur moyenne de siccité de 23,9 t 1,3% (p/p) a été enregistrée fors des essais de déshydratation des boues non traitées. En comparaison, l'application du traitement électrochimique permet d'accroïtre la siccité des boues à
une valeur moyenne de 33,4 t 1,4% (p/p), soit un gain de siccité de 9,5 points. Cette hausse de la siccité entraîne, en moyenne, une réduction de 29,3 ~ 3,0% de la masse de boues générée suite à la déshydratation mécanique.
Les faibles valeurs d'écart type calculées pour chacun des paramètres opératoires, ainsi que celles relatives à l'estimation de la siccité des boues déshydratées, témoignent de la répétitivité des résultats et de la fiabilité
du procédé.
D'autre part, le pouvoir désinfectant du procédé a été évalué par la mesure des concentrations de germes indicateurs de contamination bactérienne (coliformes fécaux et totaux) dans les boues liquides (traitées et non-traitées). Les résultats obtenus montrent une élimination totale des coliformes fécaux (abattement supérieur à 5 unités logarithmiques) et une réduction appréciable des coliformes totaux (abattement supérieur 4 unités logarithmiques). Le traitement permet donc une stabilisation efficace des boues municipale du point de vue microbiologique.
Aussi, la valeur fertilisante des boues suite à l'application du procédé a été évaluée par la mesure des concentrations d'éléments nutritifs (DCO, P-P04, N-NH4, Ca, K et Mg) dans les filtrats de déshydratation des boues. Des hausses de concentrations de Ca, K et Mg en solution, estimées respectivement à 52, 22 et 32%, ont été observées. Une augmentation de la matière organique (DCO) en solution (estimée à environ 35%) a aussi été observée. Une fraction des éléments nutritifs (K, Mg et Ca) et de la matière organique, initialement liées aux matières insolubles des boues, est mise en solution suite à l'application du procédé.
Dans tous les cas, l'application du procédé n'entraîne pas une solubilisation considérable de K, Mg, Ca et de la DCO. Une partie non négligeable de ces éléments est maintenue dans la fraction solide des boues.
En particulier, les concentrations de NH4 mesurées dans le filtrat de déshydratation des boues traitées sont du même ordre de grandeur que celles enregistrées dans l'effluent de déshydratation des boues non traitées, alors que la concentration de P-P04 a été réduite de 44% dans l'effluent de déshydratation des boues traitées. Cette réduction de P-P04 en solution est attribuée à une coprécipitation des ions phosphates dans la fraction solide des boues lors du traitement. D'une façon globale, l'application du procédé permet de conserver la valeur fertilisante des boues.
La réduction d'odeurs nauséabondes des boues suite à l'application du procédé a également été évaluée par une méthode qualitative de perception olfactive d'odeur, basée sur une échelle de 1 (absence d'odeur) à 5 (présence d'odeur très désagréable). Pour ce faire, treize individus de sensibilités différentes ont été soumis au test. Selon l'échelle établie (1 = absence d'odeur; 2 =
odeur pas désagréable; 3 = odeur légèrement désagréable; 4 = odeur désagréable et 5 = odeur très désagréable), des notes ont été attribuées aux échantillons. Au total, 7 échantillons ont été présentés aux individus parmi lesquels, se trouvaient trois échantillons de boues traitées et déshydratées, trois échantillons de boues non traitées et déshydratées et un échantillon de terre noire (échantillon contrôle).
L'échantillon contrôle est un échantillon de terre noire vendu dans le commerce pour la croissance résidentielle des plantes. Cet échantillon contrôle a servi comme base de comparaison avec les boues traitées et non traitées. Une valeur moyenne de 3,8 ~ 0,8 a été attribuée aux boues non traitées, alors qu'une valeur de 2,3 ~ 0,8 a été
attribuée aux boues traitées. En ce qui concerne l'échantillon contrôle (terre noire), une valeur de 1,2 t 0,4 lui a été attribuée.
La perception olfactive d'odeur étant différente d'un individu à l'autre, la moyenne obtenue pour chaque type d'échantillons pourrait ne pas être représentative. Cependant, en considérant l'ensemble des résultats obtenus sur chaque type d'échantillons comme étant une population statistique et en admettant que la population échantillonnée suit une loi normale, il a été possible de déterminer l'intervalle de confiance de la vraie moyenne (~) avec un degré de confiance de 99%. Ainsi, la moyenne absolue des odeurs émanant de l'échantillon contrôle (terre noire) se situait entre 0,92 et 1,54, alors que la moyenne absolue des odeurs émanant des boues traitées était comprise entre 1,97 et 2,63 et celle des boues non traitées se situait entre 3,47 et 4,13. ll est important de noter que les intervalles de confiances déterminés ne s'entrecoupent pas. Les volontaires ont donc notés des différences d'intensités d'odeurs sur chaque type d'échantillons (boues traitées, boues non traitées, et terre noire). Le traitement électrochimique induit une diminution notable des odeurs nauséabondes.
Les exemples précédents concernent le traitement de boues municipales. En particulier, l'exemple 3 a permis de vérifier la reproductibilité et la fiabilité du procédé sur de tels effluents. L'exemple 4 suivant démontre l'applicabilité
du procédé sur les boues secondaires issues d'une station d'épuration d'eaux usées d'une usine de fabrication de pâtes et papiers. Les conditions opératoires optimales déterminées lors des essais précédents (notamment en ce qui concerne le temps de traitement, la concentration de NaCI et l'intensité du courant) ont été
directement appliquées.
Exemple 4: Traitement de boues secondaires de pâtes et papiers La concentration initiale en solides totaux des boues utilisées pour les essais était de 12,5 g/L, soit 1,3% de solides. Les boues (5,0 L) initialement acidifiées et contenant 4 g/L de NaCI, ont été placées dans le même réacteur (décrit précédemment, Figure 2) et électrolysées pendant une période de 60 minutes sous une intensité de courant de 8,OA. Une fois traitées, les boues ont été
floculées à
l'aide d'un polymère organique vendu sous la marque de commerce LPM 9511, suivi de la déshydratation à l'aide d'unité de filtration sous vide (SV2) décrite précédemment. Le Tableau 4 compare les conditions opératoires ainsi que principaux résultats des essais de déshydratation des boues traitées et non traitées effectués en triplicata. Sont également présentés dans ce tableau, les concentrations d'éléments fertilisants et les concentrations résiduelles de germes indicateurs de pathogènes.
Les valeurs moyennes de pH et de POR des boues traitées se situent respectivement à 4,41 t 0,16 et 490 t 113 mV alors que les valeurs moyennes (pH
et POR) des boues non traitées sont respectivement de 6,24 ~ 0,13 et -117 t 53 mV.
Lors des essais, une consommation moyenne d'acide de 13,2 kg de H2S04/tbs a été requise pour l'acidification des boues. La hausse de la concentration en ions chlorures dans les boues (pour la production de HCIO) a nécessité un apport de 200 kg NaCI/tbs. Aussi, une consommation énergétique moyenne de 1100 t 40 kWh/tbs a été requise lors du traitement des boues.
Le dosage optimal de polymère pour la floculation des boues non traitées et des boues traitées était identique et se situait approximativement à
3,0 kg/tbs.
L'application du procédé permet une élimination efficace des indicateurs de pathogènes (coliformes fécaux et totaux). Ainsi, une concentration de coliformes fécaux et totaux de 216800 NPP/gbs et 284800 NPP/gbs a été
respectivement mesurée dans les boues non traitées. En comparaison, fes mesures effectuées sur des échantillons de boues traitées indiquaient une concentration résiduelle de coliformes fécaux inférieure à 1 NPP/gbs (abattement supérieur à

unités logarithmiques) et une concentration résiduelle de coliformes totaux de 18 NPP/gbs (abattement supérieur à 4 unités logarithmiques).
Les mesures d'azote ammoniacal (N-NH4) et de phosphate (P-P04) dans les filtrats de déshydratation des boues traitées et non-traitées montrent que l'application n'entraîne pas une solubilisation de ces éléments. En revanche, une hausse de la concentration de la matières organique (DCO) en solution (estimé
à
environ 43%) a été observée. Une fraction de la matière organique initialement liée aux matières insolubles des boues, est mise en solution suite à l'application du procédé.

Tableau 4 Essais de pré-conditionnement et de stabilisation électrochimique de boues d'une station d'épuration d'eaux usées d'une usine de pâtes et papiers Paramètres Essais e Boue non traites Boues traites pH final 6,24 t 0,13 4,41 t 0,61 POR final (mV) -117 53 490 113 Intensit (A) 0,0 0,0 8,0 t 0,0 Temprature (C) 14,3 2,4 26,1 0,5 Conductivit (mS/cm2) 0,93 t 0,16 7,69 0,22 Unit de filtration SV2 SV2 Consommation (kgltbs) H2S04 0,0 0,0 13,2 0,0 NaCI 0,0 t 0,0 200 t 0 Polymre 3,0 t 0,0 3,0 0,0 nergie (kWh/tbs) 0,0 f 0,0 1 100 40 Valeur fertilisante DCO filtrat (mg/L) 550 173 970 36 N-NH4 filtrat (mg/L) 45,4 4,9 42,3 1,7 P-P04 filtrat (mg/L) 21,5 1,6 21,9 1,8 Microorganismes Coliformes fcaux (NPP/gbs)216 800 < 1 Coliformes totaux (NPPlgbs)284 800 18 31 Dshydratation Siccit finale (% p/p) 19,9 0,2 25,3 1,2 Rduction de la masse - 21,2 3,8 (%

plp) a : essais effectués en triplicata SV2: unité de filtration sous vide ayant une surface filtrante de 201 cm2 Une valeur moyenne de 19,9% (p/p) a été mesurée lors des essais de déshydratation des boues non-traitées. L'application du procédé a permis d'accroître la siccité à une valeur de 25,3°l0 (p/p), soit un gain de 5,4 points de siccité. Cette hausse de la siccité des boues déshydratées permet de réduire de 21,2% la masse des boues produites.
Par ailleurs, l'élimination des odeurs nauséabonde des boues suite à
l'application du procédé a été évaluée par une méthode qualitative de perception olfactive. Une valeur moyenne de 4,5 t 0,5 a été attribuée aux boues non traitées, alors qu'une valeur de 2,4 t 0,4 a été attribuée aux boues traitées. En ce qui concerne l'échantillon de terre noire (échantillon contrôle), une valeur de 1,2 t 0,3 lui a été attribuée.
Comme précédemment, des intervalles de confiance contenant les moyennes absolues des odeurs perçues par les volontaires sur chaque type d'échantillons ont été déterminés. Ainsi, la moyenne absolue des odeurs émanant de l'échantillon contrôle (terre noire) se situait entre 0,90 et 1,40. En comparaison, la moyenne absolue des odeurs émanant des boues traitées était comprise entre 2,20 et 2,60 et celle des boues non traitées se situait entre 4,20 et 4,70. Le traitement électrochimique des boues permet donc une diminution appréciable des odeurs nauséabondes émises par les boues non traitées.

Claims

REVENDICATIONS

Les modes de réalisation de l'invention, au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué, sont définies comme suit :

1. Procédé de traitement électrochimique de conditionnement pré-déshydratation des boues d'épuration caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
acidification des boues de manière à atteindre un pH suffisamment haut pour éviter une corrosion et suffisamment bas pour réduire significativement les indicateurs de pathogènes;
traitement des boues acidifiées dans une cellule électrolytique capable de générer in situ un oxydant bactéricide en une concentration suffisamment élevée pour désinfecter les boues et suffisamment basse pour éviter la formation de composés organochlorés dans les boues;
électrolyser les boues durant une période de temps suffisante pour stabiliser les boues et améliorer leur déshydratabilité.