WO2016097343A1 - Procédé de déshydratation de boues assistée par réactif floculant et installation pour la mise en œuvre d'un tel procédé - Google Patents
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Abstract
Procédé de déshydratation de boues assistée par réactif floculant ledit procédé comprenant une injection de réactif floculant dans les boues et une étape de déshydratation desdites boues caractérisé en ce qu'il comprend une étape préliminaire consistant à mixer (4) lesdites boues de façon à les déstructurer et à abattre leur viscosité. Installation pour la mise en œuvre de ce procédé.
Description
Procédé de déshydratation de boues assistée par réactif floculant et installation pour la mise en œuvre d'un tel procédé.
Domaine de l'invention
Le domaine de l'invention est celui du traitement de boues, qu'elles contiennent ou non de la matière organique. L'invention concerne notamment le traitement des boues issues de stations d'épuration, mélangées ou non avec d'autres déchets, ainsi que celui des boues provenant des procédés de production d'eau potable ou les boues issues d'autres procédés industriels.
Plus précisément, l'invention concerne un procédé de déshydratation de boues, quelle que soit leur origine, mettant en œuvre une injection de réactif floculant, tel qu'un polymère, dans celles-ci. De tels procédés sont ici qualifiés de procédés de « déshydratation assistée par réactif floculant ».
Un tel procédé trouve notamment son application pour déshydrater des boues, le cas échéant déjà épaissies, présentant une siccité faible, en pratique inférieure à 15% en masse (de préférence de 2% à 7% en masse). Par « siccité des boues », on entend le pourcentage en masse de matière sèche qu'elles contiennent. En effet, les boues sont des fluides composés d'un mélange de matières minérales et d'eau, et de résidus chimiques lorsqu'elles sont issues de l'industrie, et le cas échéant de matières organiques. La siccité des boues est calculée en établissant le rapport massique entre la masse de la matière sèche et la masse totale des boues.
Ces boues peuvent notamment être issues de procédés de potabilisation d'eau ou de procédés de traitement d'effluents domestiques ou industriels.
Art antérieur
Les procédés de traitement des eaux génèrent des volumes de boues importants qui s'accroissent avec le développement industriel et urbain.
Des procédés ont été développés au cours des dernières décennies pour réduire le volume de ces boues, notamment des procédés de déshydratation.
Ces procédés de déshydratation peuvent être mis en œuvre à l'aide de divers équipements (centrifugeuses, tambours, tables, filtres à plateaux, filtres à bandes...), et utilisent des réactifs floculant et/ou coagulant adaptés qui permettent de favoriser la séparation de l'eau du reste des boues au sein de l'équipement en question.
Les coûts de mise en œuvre de ces procédés de déshydratation assistée par réactif floculant sont impactés de façon non négligeable par le coût de celui- ci. Notamment, certaines boues particulièrement difficiles à déshydrater nécessitent de fortes doses de réactif floculant qui augmentent les coûts d'exploitation des installations mettant en œuvre de tels procédés.
Différents procédés ont ainsi été proposés dans l'art antérieur visant à optimiser la consommation de ces réactifs floculant ou à s'affranchir de leur utilisation.
On connaît ainsi le procédé Déhydris Lime® de la société Degrémont, qui consiste à mélanger de la chaux aux boues à déshydrater dans un mélangeur puis à les acheminer vers une centrifugeuse en nez de laquelle est injecté le polymère.
Une telle technique présente l'inconvénient de nécessiter l'apport d'un autre additif que le réactif floculant, à savoir de la chaux, et d'augmenter ainsi la masse de boues. Les éventuelles économies faites sur les quantités de polymères distribués sont, au moins en partie, compensées par les dépenses inhérentes à l'apport de chaux et à l'évacuation du volume de boue supplémentaire.
On connaît également le procédé Déhydris Osmo ® de la société Degrémont visant à soumettre les boues à un champ magnétique de façon à modifier leur potentiel zeta.
Un tel procédé présente l'inconvénient d'impliquer la mise en œuvre d'un champ magnétique, ce qui constitue une technique complexe à mettre en œuvre.
On connaît également le procédé FlocFormer de la société Aquen qui met en œuvre deux étapes principales, la première consistant à injecter un polymère dans une chambre agitée recevant les boues, le seconde consistant à floculer le mélange de boues et de polymère dans une seconde chambre plus volumineuse, agitée lentement pour former les flocs.
Cette technique présente l'inconvénient d'impliquer des consommations énergétiques élevées liées au volume pouvant être très important de la chambre de floculation. De plus, le dispositif mettant en œuvre un tel procédé est indépendant de l'installation de déshydratation en amont de laquelle il est prévu et doit donc être géré de façon indépendante de celle-ci.
On peut également citer le procédé SLG ® de la société Orege qui propose de soumettre les boues à un léger flux d'air comprimé, de l'ordre de 1 à 2 bar, avant de dépressuriser le mélange boue / air comprimé afin de faciliter la déshydratation ultérieure. Le polymère est toutefois toujours injecté au nez de la centrifugeuse voire déplacé plus ou moins en amont de la centrifugeuse, sur la canalisation d'alimentation des boues, comme cela peut-être recommandé par l'état de l'art dans certaines situations.
Un tel procédé présente l'inconvénient d'être volumique et d'impliquer un ensemble d'éléments coûteux et nécessitant une maintenance comme par exemple un compresseur, un réacteur ou encore un séparateur
Citons aussi le procédé IH M (« in line hydrodynamic mixer ») de chez EMO qui consiste à injecter le polymère en amont de la centrifugeuse puis à créer une turbulence au moyen d'une vanne afin d'améliorer le mélange boue/polymère. L'énergie pour créer la turbulence venant du fluide lui-même et donc de la pompe d'alimentation de la centrifugeuse.
Outre le fait que tous ces procédés de l'art antérieur doivent être mis en œuvre dans des installations encombrantes, on notera aussi qu'aucun n'a fait la
preuve d'une économie réelle de polymère, sauf à ajouter de la chaux, ni d'un gain de siccité significatif, à savoir au-delà de 1.5 % de siccité.
Objectifs de l'invention
L'invention a pour objectifs de proposer un procédé de déshydratation de boues permettant d'améliorer la siccité des boues, à consommation de réactif floculant et qualité des centrats égales, et/ou d'optimiser la consommation de réactif floculant à qualité des centrats égales, et/ou à optimiser la charge des équipements de déshydratation tels que les centrifugeuses, existant, et/ou à augmenter le taux de capture de la phase solide par le réactif floculant.
Egalement un objectif de la présente invention est de décrire un tel procédé qui puisse facilement s'intégrer à un procédé de déshydratation existant et ce, sans perturber le celui-ci.
Egalement un objectif de la présente invention est de proposer une installation pour la mise en œuvre d'un tel procédé.
Un objectif de la présente invention est de divulguer une telle installation, qui au moins dans certains modes de réalisation, peut intégrer des équipements de déshydratation existants afin d'optimiser le fonctionnement de ceux-ci.
Notamment, un objectif de la présente invention est de divulguer une telle installation permettant d'optimiser le fonctionnement de centrifugeuses déjà en place pour déshydrater des boues.
Un objectif de la présente invention est aussi de décrire une telle installation dont la mise en place peut se faire très facilement sans avoir à démonter ou déplacer ou remplacer, l'équipement de déshydratation tel que la centrifugeuse déjà en place.
Exposé de l'invention
Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints grâce à l'invention qui concerne un procédé de déshydratation de boues assistée par réactif floculant, ledit procédé comprenant une injection de réactif floculant, tel qu'un polymère, dans des boues et une étape de déshydratation desdites boues caractérisé en ce qu'il comprend une étape préliminaire à ladite étape de déshydratation consistant à mixer lesdites boues de façon à les déstructurer et à abattre leur viscosité.
L'invention propose donc un procédé simple à mettre en œuvre visant à faire subir aux boues à déshydrater une étape préliminaire de traitement physique consistant en un mixage qui déstructure les boues et diminue leur viscosité. Cette étape s'est en effet avérée efficace pour augmenter l'affinité des boues pour le réactif floculant et corolairement augmenter l'efficacité de celui- ci au sein de l'équipement de déshydratation. Cette étape permet aussi d'affiner les particules les plus grosses, et/ou les plus lourdes, présentes dans les boues et de libérer potentiellement plus d'eau liée à celles-ci. Une telle augmentation d'efficacité permet soit de gagner des points de siccité en sortie de l'équipement de déshydratation à iso-consommation de réactif floculant, soit à réduire sensiblement les doses de réactif floculant devant être mises en œuvre pour obtenir une siccité donnée de celles-ci, soit à augmenter le rendement de capture de la matière organique par le réactif floculant, soit encore à augmenter la charge de l'équipement de déshydratation Dans tous les cas, l'invention permet des économies importantes sur les coûts d'exploitation de tels équipements et les coûts d'évacuation des boues.
Avantageusement, ladite étape préliminaire consistant à mixer lesdites boues comprend l'introduction de celles-ci dans un mixeur comprenant une chambre cylindrique munies de pales montées rotatives sur un axe tournant à une vitesse de rotation comprise entre 500 tours/min et 4000 tours/min, préférentiellement entre 1000 tours/min et 2000 tours/min. De telles vitesses
de mixage permettent d'optimiser encore le but recherché, à savoir l'augmentation de l'efficacité du réactif floculant.
Préférentiellement, ladite étape de déshydratation est une étape de centrifugation mise en œuvre grâce à au moins une centrifugeuse. Les centrifugeuses sont couramment utilisées pour déshydrater les boues. Il s'agit d'équipement coûteux dont le prix varie grandement en fonction de leurs taille et performance. Le procédé selon l'invention offre donc une alternative économiquement intéressante au remplacement de matériel moins performant (plus ancien) par du matériel plus performant (plus récent).
Selon une variante de l'invention, ladite injection de polymère est effectuée en nez de ladite centrifugeuse. (On entend par « nez » de la centrifugeuse le point d'entrée dans celle-ci de la matière à centrifuger.)
Toutefois, selon une variante particulièrement intéressante, ladite étape d'injection de réactif floculant est effectuée en injectant ledit polymère lors ou en amont de ladite étape préliminaire. Une telle variante permet encore d'optimiser l'efficacité du réactif floculant et donc les performances de l'équipement de déshydratation. Selon une telle variante le réactif floculant est mixé avec les boues déstructurées pour donner un mélange intime dans lequel le réactif floculant voit sa fonction optimisée.
Selon une variante de l'invention, le procédé comprend de plus une injection d'additif, notamment un coagulant tel que du chlorure ferrique, dans lesdites boues lors ou en amont de ladite étape préliminaire. Une telle étape permet d' optimiser encore l'action du réactif floculant sur les boues.
Selon une variante de l'invention, le procédé comprend l'injection d'eau chaude et/ou de vapeur vive ou vapeur de flash et/ou de condensats (de tels condensats peuvent être issus d'autres procédés et disponibles sur site), lors ou en amont de ladite étape préliminaire, afin de préchauffer lesdites boues. Une telle étape de préchauffage, permet de diminuer encore la viscosité des boues
et d'optimiser encore leur déshydratation tout en optimisant la consommation de réactif floculant.
Selon une variante de l'invention, le procédé comprend de plus une injection d'eau de dilution dans lesdites boues lors ou en amont de ladite étape préliminaire. Une telle étape permet de diluer les boues de façon à optimiser encore le contact du réactif floculant avec les boues.
Egalement selon une variante de l'invention, le procédé comprend une aération desdites boues lors ou en amont de ladite étape préliminaire. Cette étape permet aussi au réactif floculant de mieux interagir avec la boue en formant dans la chambre du mixeur une émulsion boues/polymère/air.
Tous ces fluides sont mélangés à très haute vitesse dans la chambre du mixeur dont les dimensions sont calculées en conséquence.
L'invention concerne également une installation pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention comprenant un équipement de déshydratation de boues et des moyens d'injection de réactif floculant, caractérisée en ce qu'elle inclut un mixeur prévu en amont dudit équipement de déshydratation. Un tel mixeur peut être facilement intégré sur une installation déjà existante incluant ledit équipement de déshydratation pour dynamiser les performances de celle- ci.
Avantageusement, ledit mixeur comprend une chambre cylindrique munie de pales montées rotatives. De tels mixeurs peuvent être trouvés dans le commerce. Les pales ont pour seul objet de mixer les boues. Elles ne concourent pas à faire avancer les boues dans la chambre. La chambre cylindrique présente un faible volume et le temps de séjour dans celle-ci est très court, de l'ordre de quelques secondes.
Egalement avantageusement, ledit équipement de déshydratation est une centrifugeuse.
Préférentiellement ledit mixeur est relié à des moyens d'injection de réactif floculant tel qu'un polymère.
Selon une variante, ledit mixeur est relié à des moyens d'injection de coagulant organique ou inorganique tel que du chlorure ferrique.
Selon une variante, ledit mixeur est relié à des moyens d'injection d'eau de dilution.
Egalement selon une variante, ledit mixeur est relié à des moyens d'injection d'eau chaude et/ou de vapeur vive ou de flash et/ou de condensais pour préchauffer les boues.
Egalement selon une variante, ledit mixeur est relié à des moyens d'injection d'air comprimé.
Dans ce cas, l'installation inclut préférentiellement un pot de dégazage prévu entre ledit mixeur dynamique et ledit équipement de déshydratation.
Liste des figures
L'invention, ainsi que les différents avantages qu'elle présente, seront plus facilement compris grâce à la description qui va suivre d'un mode de réalisation de celle-ci, donné à titre simplement illustratif et non limitatif, en référence aux figures, dans lesquelles :
la figure 1 représente, de façon schématique, une installation selon la présente invention ;
la figure 2 est un graphique indiquant les consommations de réactif floculant (polymère) lors de la mise en œuvre de l'installation selon la figure 1 grâce au procédé selon l'invention d'une part et grâce à un procédé classique de l'art antérieur d'autre part.
Description de modes de réalisation de l'invention
Installation
En référence à la figure 1, l'installation comprend un équipement de déshydratation de boues constitué par une centrifugeuse (de marque Andritz ®, modèle D2L). Cette centrifugeuse est reliée à des moyens d'amenée de boues 2 et à des moyens d'injection de polymère 3.
Conformément à la présente invention l'installation comprend également un mixeur 4 prévu en amont dudit équipement de déshydratation pourvu de moyens d'injection d'air comprimé 5,d e moyens d'amenée d'eau 6, et de moyens d'injection de chlorure ferrique 6a.
Les moyens d'amenée de boues 2, les moyens d'injection de polymère 3, les moyens d'injection d'air comprimé 5 et les moyens d'amenée d'eau sont reliées par des canalisations, respectivement 12, 13, 15, 16 à un collecteur 7. Des vannes 22, 23, 25, 26 permettent de distribuer, respectivement les boues, le polymère, l'air comprimé et l'eau dans celui-ci. La canalisation 15 d'amenée d'air comprimé au collecteur 7 est équipée d'un débitmètre 55.
Les moyens d'amenée de boues 2, les moyens d'injection de polymère 3, et les moyens d'amenée d'eau 6 sont reliées par des canalisations, respectivement 32, 33, 36 à la centrifugeuse 1. Des vannes 42, 43, 46 permettent de distribuer, respectivement les boues, le polymère, et l'eau directement au nez de celle-ci.
Les canalisations 16 et 56 d'amenée d'eau respectivement au collecteur
7 et à la centrifugeuse sont équipées chacune d'un débitmètre commun 56.
Les moyens d'injection d'air comprimé 5 sont quant à eux reliée par une canalisation 35 à un pot de dégazage 8, équipé d'un évent 8a, une vanne 45 permettant de distribuer cet air comprimé vers celui-ci. Ce pot de dégazage est relié au nez de la centrifugeuse 1 par une canalisation 9.
Conformément à la présente invention, le mixeur 4 comprend une chambre cylindrique 4a équipée d'un axe rotatif 4b sur lequel sont montées des pales 4c. L'axe rotatif est mu par un moteur (non représenté sur la figure 1) qui
permet d'entraîner à une vitesse élevée de rotation les pales comprise entre 500 tours/min et 4000 tours/min.
Le mixeur 4 reçoit les boues, du polymère, du chlorure ferrique, de l'eau et de l'air comprimé provenant du collecteur 7 via une canalisation commune. Les boues mixées sont acheminées vers le pot de dégazage 8 par une canalisation 11.
L'installation ici décrite permet d'acheminer l'eau, le polymère et l'air comprimé vers le collecteur 7 et/ou vers la centrifugeuse.
Procédé
L'installation ici décrite a été mise en œuvre pour déshydrater des boues mixtes digérées selon l'art antérieur d'une part et selon l'invention d'autre part. Ces boues présentaient une siccité de départ de 28%.
Dans le cadre de ces expérimentations, la centrifugeuse a toujours été utilisée à sa capacité maximale (2000 G).
Dans une première phase expérimentale, les vannes 22, 23,25, 26, 45, 46 ont été fermées et seules les vannes 42 et 43 ont été ouvertes de façon à diriger les boues et le polymère provenant des moyens d'amenée 2 et 3 de ces composés directement en nez de la centrifugeuse 1, sans transiter par le mixeur, selon l'art antérieur.
Dans une deuxième phase expérimentale, selon l'invention, les vannes 23, 25, 26, 45, 46 ont été maintenues fermées. La vanne 22 a été ouverte pour autoriser la distribution des boues dans le mixeur 4 via le collecteur 7 et la vanne 42 a été fermée. La vanne 43 a été maintenue ouverte pour continuer d'acheminer le polymère en nez de la centrifugeuse 1.
Dans une troisième phase expérimentale, les vannes 25, 26, 35, 46 ont été maintenues fermées. La vanne 22 a été maintenue ouverte, la vanne 43 a été fermée et la vanne 23 a été ouverte pour autoriser selon l'invention l'acheminement des boues et du polymère au mixeur 4.
Au cours de chacune de ces trois phases expérimentales on a mise en œuvre le polymère à trois dosages différents, à savoir, 5 kg/TMS (tonne de matière sèche), 7,5 kg/TMS et 11 kg/TMS.
Le mixeur a été utilisé pour les deuxième et troisième phases expérimentales avec une vitesse des pales de 2000 tours/min permettant de déstructurer les boues avant de les acheminer à la centrifugeuse 1 via le pot de dégazage 8.
Les boues ne le nécessitant pas, il n'a pas été ajouté de chlorure ferrique. Les résultats de siccité des boues en sortie de la centrifugeuse 1 sont synthétisés sur le graphe représenté à la figure 3.
Ces résultats montrent qu'avec la même dose de polymère, il est possible grâce à l'invention d'obtenir une siccité de boues bien meilleure avec l'invention, notamment lorsque l'injection du polymère est faite dans le collecteur prévue en amont du mixeur dynamique.
Ainsi, pour une dose de polymère de 11,3 kilogrammes par tonne de matières sèches (TMS) on a obtenu grâce à l'invention une siccité des boues de 32 %, et même de plus de 33% en injectant le polymère en amont du mixeur dynamique, alors que la siccité obtenue selon l'art antérieur n'a été que de 28,5 %. Ceci sans l'ajout de chlorure ferrique et d'air comprimé car les boues ne le nécessitaient pas. Une siccité comparable de 29% a pu être obtenue en ne mettant en œuvre le polymère qu'à raison de 5kg/TMS soit une économie de près de 50% en quantité de polymère.
Claims
1. Procédé de déshydratation de boues assistée par réactif floculant ledit procédé comprenant une injection de réactif floculant dans les boues et une étape de déshydratation desdites boues caractérisé en ce qu'il comprend une étape préliminaire consistant à mixer lesdites boues de façon à les déstructurer et à abattre leur viscosité.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite étape préliminaire consistant à mixer lesdites boues comprend l'introduction de celles-ci dans un mixeur comprenant un chambre cylindrique munies de pales montées rotatives sur un axe tournant à une vitesse de rotation comprise entre 500 tours/min et 4000 tours/min.
3. Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que ladite vitesse de rotation est comprise entre 1000 tours/min et 2000 tours/min.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que ladite étape de déshydratation est une étape de centrifugation mise en œuvre grâce à au moins une centrifugeuse.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que ladite étape d'injection de réactif floculant est effectuée en injectant ledit réactif floculant lors ou en amont de ladite étape préliminaire.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'il comprend l'injection d'eau chaude et/ou de vapeur vive ou vapeur de flash et/ou de condensats lors ou en amont de ladite étape préliminaire pour préchauffer lesdites boues.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce qu'il comprend une injection d'eau de dilution dans lesdites boues lors ou en amont de ladite étape préliminaire.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce qu'il comprend une oxygénation desdites boues lors ou en amont de ladite étape préliminaire.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé en ce qu'il comprend une injection de réactif coagulant dans lesdites boues lors ou en amont de ladite étape préliminaire.
10. Installation pour la mise en œuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 comprenant un équipement de déshydratation de boues et des moyens d'injection de réactif floculant, caractérisé en ce qu'elle inclut un mixeur prévu en amont dudit équipement de déshydratation.
11. Installation selon la revendication 10 caractérisé en ce que ledit mixeur comprend une chambre cylindrique munie de pales montées rotatives.
12. Installation selon la revendication 10 ou 11 caractérisé en ce que ledit équipement de déshydratation est une centrifugeuse.
13. Installation selon l'une quelconque des revendications 10 à 12 caractérisé en ce que ledit mixeur est relié à des moyens d'injection de réactif floculant.
14. Installation selon l'une quelconque des revendications 10 à 13 caractérisé en ce que ledit mixeur est relié à des moyens d'injection de coagulant.
15. Installation selon l'une quelconque des revendications 10 à 14 caractérisée en ce que ledit mixeur est relié à des moyens d'injection d'eau de dilution.
16. Installation selon l'une quelconque des revendications 10 à 15 caractérisée en ce que ledit mixeur est relié à des moyens d'injection d'eau chaude et/ou de vapeur vive ou de flash et/ou de condensats.
17. Installation selon l'une quelconque des revendications 10 à 16 caractérisée en ce que ledit mixeur est relié à des moyens d'injection d'air comprimé.
18. Installation selon la revendication 17 caractérisé en ce qu'elle inclut un pot de dégazage prévu entre ledit mixeur dynamique et ledit équipement de déshydratation.
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