Déshydratation mécanique des boues : comment améliorer les performances des procédés ?

Toutes ces stations d’épuration génèrent des boues qu’il faut traiter et gérer au mieux, non seulement du point de vue économique mais aussi environnemental. La plupart des exploitants organisent cette gestion des boues sous l’angle de l’épandage, du compostage ou de leur incinération, puisque la mise en décharge est exclusivement réservée aux déchets ultimes constitués des boues qui auront subi tous les traitements possibles, ce qui n’est pas économiquement viable sauf pour les boues très chargées en métaux lourds.

Évidemment, moins le volume à traiter est important, moins le coût de cette gestion est élevé. Or, en sortie de stations, les boues contiennent 99 % d’eau. Le traitement principal consiste à diminuer ce pourcentage, c’est-à-dire augmenter celui de matières sèches présentes dans la boue, ce qu’on appelle la siccité. Cela commence souvent par une étape d'épaississement, soit par une décantation gravitaire au-dessus d’une table d’égouttage dotée de toiles semi-perméables qui concentrent la matière sèche à raison de 15 à 100 g/L, soit une séparation par flottation, en injectant de l’air, ce qui sépare par différence de densité les phases solides et liquides, une technique assez efficace puisque la concentration de matières sèches en sortie est alors de 40 à 60 g/L.

Cette étape est souvent précédée - et presque toujours suivie - d’un ajout de floculants, pour que les matières solides en suspension floculent de façon à former des flocs. Puis arrive l’étape cruciale, celle de la déshydratation.

La déshydratation : une étape cruciale

Le premier critère de l’opération de déshydratation est la siccité en sortie. C’est elle qui détermine le volume de boues finales. L’avantage va généralement aux filtres-presse et aux presses à piston qui peuvent atteindre de 26 à 45 % alors que les centrifugeuses atteignent de 19 à 32 % et les filtres à bandes de 15 à 22 %. Mais ces valeurs ne sont que théoriques. Selon le rapport final de l’Onema (Office national de l’eau et des milieux aquatiques) et de l’Irstea (Institut de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture) sur la déshydratation mécanique des boues paru en 2015, la forte variabilité observée sur les siccités constatées pour un même procédé peut s’expliquer « d’une part, par l’impact des paramètres opératoires et des propriétés des boues sur les performances des procédés de déshydratation mécanique (et) d’autre part, par le fait qu’à l’échelle des stations, les exploitants optimisent leur procédé de déshydratation aussi en fonction du coût de fonctionnement et des contraintes auxquelles ils sont soumis pour la valorisation des boues déshydratées. Le point d’équilibre entre ces deux critères de décision est différent d’une station à l’autre et peut également expliquer les variations de performance observées pour les différents procédés ».

Car il y a presque autant de types de boues qu’il y a de stations d’épuration. Tout dépend de la nature des eaux usées traitées et des traitements mis en œuvre avant que celles-ci ne deviennent des boues. Si elles sont seulement issues d’un processus de dégrillage et de décantation gravitaire, ce sont des boues primaires. Si elles subissent un traitement biologique par des bactéries en suspension qui assimilent les polluants dissous, on parle de boues secondaires. Les boues mixtes sont un mélange des deux. Elles peuvent également être digérées dans un méthaniseur afin de produire du biogaz. Ces boues deviennent alors des boues digérées. De plus, les paramètres d’une boue changent au cours du temps. Dans sa thèse soutenue fin 2015 à l’université de Clermont-Ferrand, Julian Tosoni a montré que le temps de digestion anaérobie des boues influe grandement sur la déshydratation des boues secondaires. Dans ses tests en laboratoire, il a ainsi remarqué que la déshydratabilité d’une boue diminue tout d’abord jusqu’à un temps critique pour s’améliorer ensuite sans atteindre celle de la boue brute. Ceci est du à deux modifications : celle des équilibres osmotiques entre les flocs et le milieu interstitiel et celle de la matrice des polymères solubles des flocs.

Autant dire que le rapport équipement/type de boues est essentiel. Selon l’association Amorce, qui regroupe des collectivités territoriales et de nombreux fabricants, les filtres à bandes ne sont pas adaptés aux boues fibreuses, les filtres-presse ne le sont pas non plus pour les boues collantes. Pour les centrifugeuses, « il faut que les boues ne contiennent pas de sable, sinon, la centrifugeuse risque de se détériorer rapidement. Un contrôle permanent de la nature des boues est donc nécessaire. De plus, les coûts d’investissement et d’exploitation (consommation importante en poly-électrolytes et en énergie) restent assez élevés », écrit Amorce. De plus, il faut noter qu’elles ne sont pas adaptées, tout comme les filtres à bandes, aux boues très organiques. Bien que ses performances aient beaucoup progressé, la centrifugation ne permet d’atteindre qu’une siccité limitée comprise entre 19 à 32 % selon la nature de la boue.

Pour Claire Courbet, ingénieur application biosolides chez Suez, l’essai pilote n’est cependant pas systématiquement nécessaire en municipal. « Nous disposons de données basées sur plusieurs dizaines d’années de retours terrains qui nous permettent, en fonction de la configuration de la file eau et de l’origine des flux d’eaux usées arrivant sur la station, ou selon le point de captage d’eau brute dans le cas d’une usine d’eau potable, de prédire la nature des boues que l’on va devoir traiter et les performances qu’atteindront chaque équipement. En revanche, en industries, les essais sont indispensables car les boues ont des matrices très variables avec parfois des comportements atypiques d’un site industriel à un autre, même sur des activités identiques ». Un point de vue confirmé par Jean-François Mischler chez Bucher Unipektin. « En industrie, chaque projet est un projet d’ingénierie complet. C’est la raison pour laquelle nous avons développé un système qui permet d’évaluer rapidement la déshydratabilité d’une boue. On simule le fonctionnement de la presse à piston à l’échelle laboratoire ce qui permet d’obtenir un résultat très proche de ce que l’on obtient par les méthodes normées de définition de la siccité limite. La différence, c’est que l’on obtient un résultat reproductible qui ne dépend pas de l’opérateur, et en moins d’un quart d’heure ».

Un élément clé : le conditionnement

Outre la chaux, la plupart des équipements nécessitent l’ajout de polymères de synthèse et même, pour certains comme les filtres-presse, de sels métalliques de fer ou d’aluminium afin de favoriser la floculation de la boue. Les centrifugeuses, par exemple, ne fonctionnent pas si les boues sont exclusivement biologiques. Il leur faut se mélanger à des polymères fortement cationiques. Mais leur coût est important. Et attention au risque lié à la tentation de surdoser les polymères pour maintenir les performances, comme le souligne un participant au forum d’échanges techniques sur FluksAqua…

La société catalane Andreu Boet Equipaments a par exemple comparé l’efficacité de ses centrifugeuses de la série S et a constaté que la consommation de floculants en poudre varie du simple à plus du double, de 60 g/m³ à 160 g/m³, selon que les boues soient fraîches, issues de filtres biologiques, activées ou digérées.

Équipements de déshydratation : des équilibres qui se modifient

Adequatec, dix ans après avoir installé la première presse à vis de déshydratation des boues en France (Adequapress, STEP d’Idron (64) exploitée par Suez depuis 2007), vient de mettre sur le marché fin 2017 une nouvelle gamme de presse à vis en rupture avec les technologies existantes. Les ingénieurs d’Adequatec ont mis à profit les retours d’expérience et les souhaits de leurs clients et ont procédé à un ré-engineering méthodique et complet de la technologie Adequapress®. Les tambours des nouveaux Adequapress, 40 % plus légers, sont éco-conçus (70 % de matière réutilisable et 30 % recyclable), autoportants et offrent une maintenance in situ facile, rapide et sans arrêt de production. Un industriel de l’agroalimentaire, Veolia, la ville de Castres (81) et Suez en sont les premiers bénéficiaires. « Adequatec a toujours mis l’accent sur la qualité de son procédé, c’est pourquoi l’Adequapress® est la seule presse à vis qui assure un taux de capture particulièrement élevé de l’ordre de 98 % et plus. Ceci nous permet d’afficher un bilan d’exploitation 60 % moins cher qu’une centrifugeuse, et 2 à 3 fois moins cher qu’une presse à tamis », affirme Alexandre Peulon, technicien en Process de déshydratation chez Adequatec.

« Les performances de ces presses sont aujourd’hui bien connues pour les boues de stations municipales. Mais pour des boues industrielles, il faut faire quasiment systématiquement des essais. C’est la première action à mener quand on veut équiper une station et même faire fonctionner un équipement, explique Henry de Miramon, directeur général d’Huber Technology. Les boues ne sont en effet jamais identiques sur deux stations industrielles. Il y a aussi 6 ou 7 formules de polymères qu’il faut tester afin de trouver le meilleur compromis entre coût et efficacité ». Dans une usine de plats cuisinés du groupe Leduff, Atlantique Industrie a installé son Ec’eau presse à disques MDS313 (débit de 70 à 120 kg MS/h), pour traiter sans polymères des boues graisseuses (8 %) issues d’un flottateur. Ils ont obtenu une siccité entre 35 et 40 %. En Martinique, Huber a remplacé l’ancienne presse à bandes par sa presse à vis Q-Press. Avec une même boue issue de rejets d’une usine d’embouteillage de boissons gazeuses et de crèmes glacées, la Q-Press gagnait 4 % à 8 % de siccité.

Face à cette situation, les fabricants de centrifugeuses ont réagi.

Flottweg a également présenté une nouvelle série la X-Xelletor dont leurs performances permettent de gagner en siccité tout en économisant en polymères et en énergie.

Des tests réalisés dans la station d’épuration de Rosenheim, en Allemagne, ont montré une progression de + 2 % en siccité avec des économies notables en polymères grâce au design interne optimisé. Des essais réalisés à l’échelle industrielle ont permis des économies de polymère pouvant atteindre 25 % à siccité constante. De plus, les gains annoncés en énergie de la série Xelletor sont de l’ordre de 50 %. Dans le cas de la station de Rosenheim, il s’est avéré possible d’économiser plus de 20.000 € par an… En fonction de la capacité requise, la consommation énergétique de la série Xelletor ne s’élève qu’à 0,7 kWh/m³. Ces économies résultent du nouveau concept bol/vis de la série Xelletor.

Cette nouvelle génération d’Adequapress® plus efficace et plus sobre a été essayée sur des boues digérées diluées (2,5 %) derrière un méthaniseur d’une STEP de 130.000 EH. La siccité obtenue était de 23 à 25 % avec une consommation électrique de moins de 10 kWh par tonne de matière sèche, 6 kg de polymère actif, 50 litres d’eau de lavage par heure, le tout avec un taux de capture mesuré à 98 %. « Ces performances font des presses à vis Adequapress un véritable outil d’efficacité énergétique et économique, se félicite-t-on chez Adequatec. Le coût de production à la tonne de matière sèche revient à moins de 40 € contre environ 100 à 120 € pour les autres technologies ».

Pousser plus loin la déshydratation

Enfin, Dehydris™ ultra, qui nécessite une siccité minimale des boues en entrée ce qui requiert parfois une pré-déshydratation sur centrifugeuse, repose sur un conditionnement basé sur une carbonisation hydrothermale puis un passage sur une presse à piston (sans ajout de produits de conditionnement) ce qui permet d’atteindre des siccités jusqu'à 70 % avec une capacité de traitement multipliée par 3 et une consommation énergétique globale 2 à 2.5 fois moins élevée qu'un séchage thermique.

Les retours d’expériences sur les stations d’épuration de Strasbourg ou Béziers, toutes deux équipées d’ateliers de déshydratation Dehydris™ Twist intégrant une presse à piston Bucher montrent qu’il est possible d’atteindre un bilan énergétique global positif pour les filières boues, avec ou sans digestion installée. A Strasbourg, l’intégration de la presse Bucher permet d’injecter sur le réseau assez de gaz pour couvrir la consommation de 5.000 habitations BBC.

A Boneo en Australie, Suez a remplacé un parc de centrifugeuses par deux presses à piston Bucher 7507. L’investissement, plus élevé au départ, a permis de réduire d’un tiers la surface nécessaire au séchage solaire. Le retour sur investissement s’est avéré rapide grâce à la réduction de volume apportée par le fait de faire de la déshydratation poussée en réduisant fortement l’empiétement au sol du séchage solaire.

Mais alors, quels sont les critères qui doivent conduire aux choix d’un équipement de déshydratation ? « Le principal critère, c’est la filière de valorisation, explique Claire Courbet. En fonction de la destination finale de la boue, on va rechercher une performance plus ou moins élevée. C’est ce qui va déterminer le taux de siccité qu’il va falloir se fixer comme objectif. L’autre idée, qui doit guider l’exploitant, c’est que lorsque l’on entre dans le cercle vertueux d’une valorisation énergétique, il faut faire en sorte que l’étape de déshydratation ne soit pas un frein, mais au contraire un tremplin vers cette valorisation énergétique, par exemple en produisant directement des boues autothermiques quand la déshydratation est suivie d’une incinération ».

Aller au delà de la siccité

Question capacité de traitement, les divers équipements ne sont pas non plus équivalents. La capacité des presses à piston HPS de Bücher Unipektin varie d’environ 200 kg de MS par cycle de deux heures pour la petite taille jusqu’à 1,6 tonne de MS pour le grand modèle. Les décanteurs centrifuges de Haus peuvent traiter de 1 m³/h à 250 m³/h, ceux de Flottweg de 10 à 250 m³/h. Les presses à disque d’Atlantique Industrie traitent de 1 m³/h pour le modèle MDS-101 à 44, 2 m³/h pour la MDS 453, la plus grosse, selon la siccité de la boue injectée, la presse à vis C-press d’Andritz de 2 m³/h à 

Un facteur clé : le taux de capture

Adequatec met l’accent à la fois sur le taux de capture de ces Adequapress® qu’elle garantit entre 95 et 98 % selon la nature des boues et sur la consommation de polymère qu’elle garantit à plus au moins un point par rapport au besoin de la floculation déterminé par le Jar Test. « Il faut savoir que le taux de capture détermine le surcoût d’exploitation. Plus il est faible, plus il faut traiter de boues brutes afin d’atteindre l’objectif de production fixé. De même, outre le surcoût induit par la surconsommation de polymère, celle-ci induit un résiduel de polymère trop important dans les retours en tête qui affecte la qualité épuratoire de la filière liquide et engendre un surcoût à l’aération », précise Alexandre Peulon chez Adequatec.

Celui des presses à bandes développées par ATR Créations et Aqua Traitements est d’environ 90%. La qualité de la toile filtrante ne semble pas un paramètre important. En revanche, des toiles plus fermées, comme celles des filtres-presses à plateaux améliorent la qualité du substrat et donc le taux de capture.

Moins de qualification demandée mais plus de travail pour les presses à bandes dont le nettoyage est régulier. « Les presses à disques demandent très peu de maintenance et de nettoyage », souligne Jean-Pierre Murzeau, directeur d’Atlantique Industrie. Les presses à vis, et plus encore les filtres-presse, sont des technologies plus rustiques. Malgré tout, leur nettoyage demande beaucoup d’eau et il faut régulièrement changer quelques pièces sujettes à usure. « La nouvelle génération de presses à vis demande moins de maintenance, avertit Henry de Miramon chez Huber Technology. Le joint en tête de vis dure entre 3.000 et 8.000 heures et est d’accès plus facile. La vis résiste entre 10.000 et 30.000 heures ».

Adequatec qui bénéficie d’un long retour d’expérience avec ces presses à vis Adequapress®, procède à une seule opération de maintenance une fois tous les 5 à 6 ans.

Pour la nouvelle génération avec tambour « Plug & Play », l’opération de maintenance se fait sur site en quelques heures et sans arrêt de production pour les machines composées de plus d’un tambour. « Nos presses à vis Adequapress® se distinguent des presses à vis à tamis par la qualité du filtrat et par leur taux de capture supérieur à 95 %. Elles consomment deux à trois fois moins de polymère et infiniment moins d’eau que les presses à vis à tamis ce qui se traduit dans leur coût d’exploitation 2 à 3 fois moins cher par rapport aux autres presses à vis », précise Alexandre Peulon, chez Adequatec.

Quand un exploitant veut s’équiper ou modifier ses installations, il cherche naturellement les conseils les plus avisés et contacte ses collègues qui l’ont précédé sur ce chemin. Sur le forum d’échanges techniques Fluksaqua, un exploitant écrit : « Nous avons comparé le remplacement d'une presse à bande par une presse à vis Huber et une centrifugeuse Alfa Laval. Capacité 80 kg de MS/h. L'investissement est quasi identique. La différence se fait sur la consommation électrique qui est plus faible avec une presse à vis, mais le coût d'évacuation des boues est plus élevé car la différence de siccité est favorable à la centrifugeuse de 3%. Le comparatif a été réalisé grandeur nature sur 6 semaines d'essai. Le gain global sur 1 an est de 10 % en faveur de la centrifugeuse. Nous avons pris en compte le coût d'achat, le coût des polymères, la consommation électrique, la maintenance et l’évacuation des boues. Sur une autre affaire, nous avons pris la presse à vis car avec une centrifugeuse, il fallait remplacer le transformateur électrique et modifier la ligne et le contrat EDF ». Il faut en effet penser à tout et bien garder en tête que comparaison n’est pas toujours raison.