FR3137383A1

FR3137383A1 - Procédé de séchage solaire de boues issues de stations d’épuration

Info

Publication number: FR3137383A1
Application number: FR2206775A
Authority: FR
Inventors: Sid Ahmed KESSAS; Pascal VIDIL; Pierre-Emmanuel Pardo
Original assignee: Suez International SAS
Current assignee: Suez International SAS
Priority date: 2022-07-04
Filing date: 2022-07-04
Publication date: 2024-01-05
Also published as: WO2024008630A1

Abstract

L’invention concerne un procédé de traitement de boues d’épuration comprenant dans cet ordre : une étape de pré-séchage thermique des boues dans une unité de séchage thermique, une étape de séchage solaire des boues dans une unité de séchage solaire. Figure 1.

Description

Procédé de séchage solaire de boues issues de stations d’épuration

La présente invention concerne le domaine du traitement des boues issues de stations d’épuration. Plus particulièrement, l’invention concerne un procédé de traitement des boues issues de stations d’épuration, dites boues urbaines et en particulier un procédé de séchage solaire desdites boues.

Le séchage des boues est rendu nécessaire compte-tenu des limitations rencontrées par la déshydratation mécanique généralement mise en œuvre en sortie des stations d’épuration. Le séchage consiste en l’élimination de l’eau libre et liée qui ne peut pas être éliminée par un procédé mécanique. Le séchage s’effectue donc par évaporation, ce qui nécessite la création d’un gradient de température entre la surface extérieure des grains ou flocs constituant la boue et le cœur de ceux-ci. Lors de ce processus, la vapeur d’eau formée à cœur diffuse vers la couche superficielle, dite couche limite. L’énergie à mettre en œuvre est la somme de la chaleur latente et de l’énergie de liaison de cette eau (faible devant la première).

L’énergie d’évaporation de l’eau étant très élevée, il est préférable d’optimiser la déshydratation avant un sécheur afin d’en réduire sa taille. De plus, il est important de bien définir la siccité à atteindre en sortie de sécheur.

Pour rappel, la siccité des boues est déterminée par un indice utilisé dans le domaine de l’épuration des eaux usées. Les boues sont constituées d’eau et de matières sèches. La siccité est le pourcentage massique de matière sèche. Ainsi une boue avec une siccité de 10 % présente une humidité de 90 %. La siccité est évaluée par la quantité de solide restant après un chauffage à 110 °C pendant deux heures. Elle s'exprime généralement en pourcentage pondéral. À l'inverse, on parlera de taux d'humidité. La siccité est une donnée obligatoire à connaître pour toutes sortes de manipulations des boues lors du processus d’épuration des eaux usées, car la consistance de la boue est un état physique dépendant de sa siccité.

La siccité doit donc être suffisamment élevée pour que les boues séchées soient stabilisées et éventuellement hygiénisées. Toutefois, cette siccité ne doit pas être trop élevée afin d’éviter la création de poussières (avec un risque d’inflammabilité importante) et une sur-consommation énergétique.

Afin de sécher les boues urbaines, et d’obtenir une valeur attendue de siccité des boues séchées, plusieurs techniques de séchage sont connues et mises en œuvre.

Ainsi, le séchage des boues peut être réalisé par séchage solaire. Dans ce cas, les boues sont introduites dans une serre solaire, fermée ou ouverte, sur le sol de laquelle ces boues ayant été préalablement déshydratées mécaniquement sont étalées et/ou bien retournées et déplacées.

Le séchage des boues s’effectue donc sous serre (fermée ou ouverte), grâce aux radiations solaires qui chauffent l’air à l’intérieur de la serre et de ce fait, la surface du lit de boues. L’aération de la serre permet l’évaporation de l’eau contenue dans les boues. L’eau évaporée est ainsi évacuée par convection naturelle grâce à un système de ventilation. L’évaporation est optimisée par le balayage à l’air et par la machine de retournement/d’étalement des boues.

Le séchage solaire qui utilise l’énergie solaire, renouvelable et gratuite pour permettre l’évaporation de l’eau contenue dans les boues, est un procédé extensif. Le séchage solaire peut également être mis en place sans l’utilisation de serre (séchage ouvert sans serre).

L’utilisation du séchage solaire est, par conséquent, une solution simple, peu énergivore (l’apport d’énergie pouvant être uniquement de type électrique, mais pouvant également être équipé de système d’apport d’énergie (PAC par exemple) dans la serre pour optimiser le séchage lors des périodes froides (aérothermes ou plancher chauffant). Cependant, cette technique de séchage solaire nécessite une emprise au sol importante pour l’étalement des boues puisque les performances évaporatoires dépendent essentiellement des conditions météorologiques locales.

En conséquence, le séchage solaire est principalement utilisé dans les pays chauds, mais même dans ce cas, le coefficient d’évaporation est en moyenne de l’ordre de 0,2 à 0,4 kg H₂O/m².h (sans autre apport calorifique que l’énergie solaire arrivant sur la serre).

Toutefois, le séchage solaire présente un inconvénient majeur car il est générateur d’odeurs, liées principalement à la fermentation survenant du fait d’une faible siccité des boues introduites dans une serre. La mise en œuvre du séchage solaire présente donc un intérêt limité lorsque l’implantation de serres est faite à proximité des zones urbaines car il devient alors obligatoire de résoudre cette problématique d’odeurs par une installation de désodorisation qui est un équipement coûteux.

De plus, la désodorisation est également parfois obligatoire lors du séchage de boues non digérées (non stabilisées) même si le site se trouve à une distance raisonnable par rapport aux habitations. Du fait des coûts économiques supplémentaires liés aux équipements de désodorisation, l’utilisation du séchage solaire est limitée et déconseillée en cas d’implantation à proximité de zones urbaines.

De plus, comme déjà vu, pour pouvoir traiter de grande quantité de boues, il est nécessaire de prévoir de grandes surfaces d’implantation pour un séchage solaire, ce qui freine une implantation en zone urbaine où l’espace disponible peut être limité.

Une autre voie de séchage des boues utilisée est celle du séchage thermique qui prévoit un fluide thermique permettant d’accélérer le séchage, ce fluide thermique est chauffé généralement par des énergies fossiles. Le séchage thermique peut être direct, les boues étant alors en contact avec le fluide caloporteur ou indirect, les boues n’étant pas, dans ce cas, en contact avec le fluide caloporteur. Les sécheurs thermiques à bandes sont des sécheurs directs, et le fluide thermique est généralement de l’air. Les technologies à couches minces ou à disques sont des sécheurs indirects dans lesquels de l’huile thermique ou de l’eau chaude sont utilisés comme média caloporteur.

Comme tous les sécheurs thermiques à bandes qui sont la technologie la plus utilisée car la moins contraignante à l’exploitation, la siccité en entrée de sécheur est un paramètre très important. Si la valeur de la siccité est trop faible, les boues ne se tiennent pas sur la bande et l’air ne peut pas passer, ce qui provoque un séchage difficile.

Cette solution s’applique donc pour des boues digérées qui seraient à 23% de matière sèche (MS) en sortie de déshydratation ou à 20% MS sur des boues biologiques. Dans ce dernier cas, il faudrait prévoir une recirculation d’une partie des boues séchées pour arriver à 23% MS en entrée de sécheur thermique.

Le séchage thermique est une solution compacte permettant une implantation à proximité de zones urbaines plus simple. En fonction des températures de l’air de séchage, le coefficient d’évaporation peut varier de 5-7 kg H₂O/m².h pour des températures d’air de l’ordre de 30 à 40°C jusqu’à 20-25 kg H₂O/m².h pour des températures d’air de l’ordre de 80 à 120°C.

Néanmoins, cette solution (100 % thermique) consomme de l’énergie électrique (pour l’avancement des bandes et des ventilateurs), mais surtout de l’énergie thermique pour chauffer l’air de séchage, et cette consommation thermique est élevée, de l’ordre de 750 à 1000 kWh/tH₂O en fonction des technologies de séchage thermique. Par ailleurs, elle nécessite un traitement préalable de déshydratation permettant d’atteindre une siccité d’au moins 20%.

La présente invention a pour but de proposer un procédé de traitement des boues d’épuration économe en énergie, qui peut être implanté mitoyen avec les agglomérations urbaines qui sont des sites extrêmement sensibles aux odeurs.

A cet effet, l’invention a pour objet un procédé de traitement des boues d’épuration, comprenant dans cet ordre :
une étape de pré- séchage thermique des boues dans une unité de séchage thermique,
une étape de séchage solaire des boues dans une unité de séchage solaire.

Ainsi, de manière avantageuse, l’étape de pré séchage thermique permet de traiter des boues d’eaux résiduaires directement en sortie de traitement d’épuration et de préférence après une étape de déshydratation présentant une faible siccité afin d’obtenir des boues pré-séchées dont la siccité plus élevée se situe dans une plage de siccité dite intermédiaire. Ces boues pré-séchées une fois épandues dans un sécheur solaire produisent par conséquent moins d’odeurs, voire même plus d’odeurs du tout, ce qui permet de supprimer un traitement de désodorisation de l’unité de séchage solaire.

Par ailleurs, le séchage solaire permet d’évaporer une fraction importante de l’eau contenue initialement dans les boues, ce qui permet de réduire la consommation énergétique globale du procédé selon l’invention et donc de limiter l’empreinte carbone.

Ainsi, de préférence, les boues introduites dans l’unité de pré-séchage thermique présentent un taux de siccité compris entre 15 et 30%, de préférence entre 18 et 25%, tandis que les boues introduites dans l’unité de séchage solaire présentent un taux de siccité compris entre 30 et 60%.

De manière avantageuse, les boues traitées présentent en sortie de l’unité de séchage solaire un taux de siccité compris entre 65 et 95%.

De préférence, une étape de digestion peut précéder les étapes de déshydratation et /séchage permettant d’une part de réduire la charge de boues à sécher, et de produire du biogaz pouvant être utilisé pour alimenter énergétiquement (au moins partiellement) l’étape de pré-séchage thermique.

La récupération des buées en sortie de l’unité de pré séchage thermique permet de produire de l’eau chaude qui pourra être utilisée, lors des périodes défavorables au séchage solaire, pour intensifier le séchage solaire (circulation d’eau chaude dans un plancher chauffant ou bien production d’air chaud par l’intermédiaire d’aérothermes). Cette synergie a pour avantage de réduire la surface du séchage solaire. L’eau chaude produite pourrait également être utilisée pour l’apport calorifique en digestion.

Selon un premier mode de réalisation, l’étape de pré-séchage thermique est un séchage thermique à haute température, la température de séchage étant comprise entre 80 et 120°C, de manière encore plus préférée entre 90 et 110 °C, qui permet de chauffer rapidement les boues de sorte que celles-ci atteignent rapidement une siccité plus élevée, dans une plage intermédiaire entre 30 et 60%, avant leur introduction dans une unité de séchage solaire.

Selon un second mode de réalisation, l’étape de pré-séchage est un séchage thermique à basse température, la température de séchage étant comprise entre 35 et 60°C, de préférence entre 40 et 55°C.

Cette basse température permet de maîtriser au mieux les problématiques d’exploitation qui peuvent être liées une exploitation à hautes températures.

L’unité de pré séchage thermique peut être constituée d’un sécheur à couche mince, à disques, à bandes, à vis, à tambour rotatif ou tout autre type de sécheur thermique approprié.

La siccité des boues en sortie de l’unité de pré-séchage permet de réduire les problématiques de fermentation dans l’unité de séchage solaire ce qui permet d’éliminer la problématique des odeurs liées au séchage solaire dans lequel des boues de faibles siccité sont habituellement introduites.

De plus, un tel pré-séchage thermique présente l’avantage d’éliminer au moins partiellement, voire totalement les micropolluants odorants tels que H₂S, NH₃, etc., composés volatils, notamment certains plus volatils que l’eau, présents dans les boues. Toutefois, l’unité de pré-séchage thermique peut comporter une unité de désodorisation pour traiter les espèces incondensables en sortie de l’unité de pré-séchage thermique.

En outre, de manière avantageuse, en pré-séchant des boues de faible siccité jusqu’à une siccité intermédiaire, on réalise un séchage par évaporation en premier lieu de l’eau interstitielle ou de l’eau libre ce qui est moins consommateur d’énergie. En conséquence, le pré-séchage thermique permet avantageusement l’atteinte d’une plage de siccité intermédiaire des boues ayant pour effet de permettre ensuite un séchage solaire, et ce avec une consommation en énergie maîtrisée. On réduit ainsi globalement la consommation énergétique d’une installation mettant en œuvre le procédé selon l’invention car une importante fraction d’eau reste à éliminer par l’utilisation de l’énergie solaire dans l’unité de séchage solaire et ce avec un coût moindre.

En effet, cette fraction importante de l’eau pour atteindre une siccité plus élevée est l’opération généralement la plus consommatrice d’énergie car il s’agit d’eau liée à la matrice solide. En proposant que cette évaporation de cette fraction d’eau s’effectue lors de l’étape de séchage solaire, on favorise le bilan énergétique. En effet, il est nettement plus intéressant d’utiliser l’énergie solaire pour atteindre les siccités élevées car le séchage solaire est un séchage lent où la barrière entre les notions d’eau libre et d’eau liée devient moins pertinente.

Une partie de l’eau ayant été évaporée dans l’étape de pré-séchage, la quantité de boues traitée a été réduite et la surface nécessaire au séchage solaire peut donc être réduite. Il est ainsi possible de limiter la surface d’implantation pour mettre en œuvre une unité de séchage solaire en associant à ce séchage solaire une étape de pré-séchage thermique.

L’objectif du procédé selon l’invention est donc de sécher des boues déshydratées d’eaux résiduaires présentant une siccité comprise entre 15 et 30%, de préférence entre 18 et 25%. La siccité en entrée de l’unité de pré-séchage dépend de la technologie de déshydratation, de la nature des boues et de la nature de leur conditionnement.

La première étape consiste donc à pré sécher les boues déshydratées, jusqu’à une siccité intermédiaire comprise entre 35 et 60%, choisie en fonction de la nature des boues en entrée et de la consommation énergétique visée.

Les boues en sortie de l’étape de pré séchage sont convoyées à l’aide de moyens de convoyage automatique ou rustique vers l’unité de séchage solaire. La siccité visée en sortie de l’unité de séchage solaire est une siccité entre 65 et 90 %.

L’unité de séchage solaire peut être constituée d’une serre ouverte ou fermée avec circulation d’air. Cette unité de séchage peut être aussi un épandage des boues en lit ouvert, un bio-séchage (alliant séchage et compostage).

De manière avantageuse, le procédé selon l’invention permet de traiter différents types de boues et pas uniquement des boues digérées ou d’aération prolongée comme le requiert habituellement le séchage solaire du fait de la problématique des odeurs et ce, sans utilisation de désodorisation.

Le procédé selon l’invention permet de réduire drastiquement les problématiques d’odeurs lors du séchage solaire, odeurs habituellement dûes principalement à la présence de boues à faibles siccités (%MS<30%). De plus, les boues traitées par le procédé selon l’invention présentent une hygiénisation plus poussée du fait de l’étape de traitement thermique à haute température (pré séchage) qui précède l’étape de séchage solaire.

L’invention concerne également un dispositif pour la mise en œuvre du procédé de traitement des boues selon l’invention, caractérisé en ce qu’il comprend une unité de pré-séchage thermique et une unité de séchage solaire.

Selon une forme de réalisation, l’unité de pré-séchage est une unité de séchage thermique à haute température, de préférence entre 80°C et 120°C, de manière encore plus préférée entre 90°C et 110°C.

Selon une variante, l’unité de pré-séchage est une unité de séchage thermique à basse température de préférence entre 35°C et 60°C et de manière encore plus préférée entre 40°C et 55°C.

L’unité de pré-séchage thermique est constituée d’un sécheur à couche mince, à disques, à bandes, à vis, à tambour rotatif.

L’unité de séchage solaire est une serre fermée ou ouverte, pouvant comporter un plancher chauffant, à ventilation naturelle ou forcée

On décrira maintenant l’invention plus en détails en référence au dessin qui représente :

un schéma en bloc du procédé selon l’invention.

Le procédé selon l’invention comprend une étape de pré-séchage thermique 1 mise en œuvre à l’aide d’un sécheur à haute température tel qu’un sécheur à couche mince.

Un flux de boues déshydratées B1 issues d’eaux résiduaires et qui présentent une siccité de 18 à 25% est introduit dans l‘unité de pré-séchage thermique 1.

Les boues en entrée de l’unité de pré-séchage sont des boues d’épuration ayant subies un traitement mécanique de déshydratation. La siccité en entrée de l’unité de pré-séchage thermique est définie en fonction de la déshydratation, de la nature des boues et de la nature de leur conditionnement. Par exemple, on utilise une étape de déshydratation mécanique permettant d’obtenir les boues déshydratées de siccité comprise entre18 et 25%.

Ces boues déshydratées B1 sont introduites dans une unité de séchage thermique à haute température, par exemple un sécheur thermique à couche mince pour pré-sécher les boues jusqu’à une siccité dite intermédiaire comprise entre 30% et 60%.

Les boues B2 en sortie de l’étape de pré-séchage sont convoyées à l’aide de moyens de convoyage automatique vers une étape de séchage solaire 2 mise en œuvre dans une unité de séchage solaire telle qu’une serre. Le séchage solaire est mis en œuvre afin d’obtenir une siccité des boues B3 comprise de préférence dans une plage de 65 à 90 % de matière sèche en sortie de cette unité de séchage.

L’unité de séchage solaire peut être ainsi constituée d’un dispositif de séchage sous forme d’une serre comportant une dalle ou plancher sur lequel est déposé le lit de boues à sécher, des moyens étant prévus pour assurer le retournement des boues épandues sur ledit plancher et leur progression le long du dispositif de séchage. Le dispositif comporte par exemple des ventilateurs pour assurer le renouvellement de l’air contenu dans la serre. Un tel dispositif peut être du type de ceux décrits dans les documents FR-A-2 843 958 ou FR-A-2 913 761.

La serre peut également comporter un plancher chauffant.

De préférence, on peut récupérer de la chaleur sur les buées sortantes de l’unité de séchage thermique, l’énergie récupérée sur la condensation et le refroidissement des buées permettant de chauffer l’air ambiant de la serre, par exemple. Ainsi, l’énergie récupérée permet de produire de l’eau E chaude et de l’envoyer soit dans un plancher chauffant dans la serre ou bien dans des aérothermes, ventilateurs qui refroidissent les canalisations d’eau chaude suspendues dans le toit de la serre.

Ainsi, pour produire de l’eau chaude, on utilise un scrubber, terme anglais désignant une tour de lavage pour condenser les buées et un échangeur condensats/eau, c’est-à-dire un échangeur liquide/liquide. Les condensats refroidis sont pulvérisés dans l’évaporateur pour condenser les buées et l’excédent est envoyé en tête de station d’épuration, tandis que l’eau chaude produite circule en boucle fermée entre l’échangeur condensats/eau et la serre.

Le procédé selon l’invention comprenant une étape de séchage solaire 2 précédée d’une étape de pré-séchage thermique 1 permet dans tous les cas d’occuper moins d’espace qu’une solution 100 % solaire et de consommer moins d’énergie qu’une solution 100 % thermique.

Le procédé selon l’invention permet de traiter différents types de boues et, notamment des boues digérées ou d’aération prolongée comme le requiert le séchage solaire (du fait de la problématique d’odeurs).

Le procédé selon l’invention permet également de réduire drastiquement les problématiques d’odeurs lors du séchage solaire habituellement dû principalement à la présence de boues à faibles siccités (%MS<30%) et également à l’élimination de micropolluants odorants (ex : NH₃et H₂S) pendant l’étape de pré-séchage.

Une unité de désodorisation est prévue pour traiter les espèces incondensables en sortie de l’unité de pré-séchage thermique. Cette unité de désodorisation est avantageusement de dimensions nettement inférieures à celle pouvant être installée pour une solution 100 % solaire à cause de la grande différence entre le débit d’incondensables sortant de l’unité de pré-séchage et le débit d’air humide sortant de la serre.

Il est également possible d’obtenir des boues avec une hygiénisation plus poussée en comparaison à une configuration de séchage solaire grâce à l’étape de pré-séchage thermique à haute température ou basse température.

Claims

Procédé de traitement de boues d’épuration comprenant dans cet ordre :
une étape de pré-séchage thermique (1) des boues dans une unité de séchage thermique,
une étape de séchage solaire (2) des boues dans une unité de séchage solaire.
Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les boues (B1) introduites dans l’unité de pré-séchage thermique présentent un taux de siccité compris entre 15 et 30%, de préférence entre 18 et 25%.
Procédé selon l’une des revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les boues (B2) introduites dans l’unité de séchage solaire présentent une siccité comprise entre 30 et 60%.
Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l’étape de pré-séchage thermique est un séchage thermique à haute température, la température de séchage étant comprise de préférence entre 80 et 120°C, de manière encore plus préférée entre 90 et 110 °C.
Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l’étape de pré-séchage thermique est un séchage thermique à basse température, la température de séchage étant comprise de préférence entre 35 et 60°C, de manière encore plus préférée entre 40 et 55°C.
Procédé selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu’il comprend une étape de déshydratation précédant l’étape de pré-séchage thermique (1).
Dispositif pour la mise en œuvre du procédé de traitement des boues selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu’il comprend une unité de pré-séchage et une unité de séchage solaire.
Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que l’unité de pré-séchage est une unité de séchage thermique à haute température, de préférence entre 80 et 120 °C.
Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que l’unité de pré-séchage est une unité de séchage thermique à basse température de préférence entre 35 à 60°C.
Dispositif selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que l’unité de pré-séchage thermique est constituée d’un sécheur à couche mince, à disques, à bandes, à vis, à tambour rotatif.
Dispositif selon l’une des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que l’unité de séchage solaire est une serre fermée ou ouverte.
Dispositif selon l’une des revendications 7 à 11, caractérisé en ce que l’unité de pré-séchage thermique comporte une unité de désodorisation pour traiter les espèces incondensables en sortie de l’unité de pré-séchage thermique.