Traitements Et Destinations Finales Des Boues Residuaires

8/18/2019 Traitements Et Destinations Finales Des Boues Residuaires

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Traitements et destinations finalesdes boues résiduaires

par Jean-Claude BOEGLINIngénieur chimiste, Docteur ès sciences Président d’honneur de l’Institut de recherches hydrologiques (IRH) environnement, Nancy Conseiller scientifique de l’Institut de promotion industrielle (IPI) environnement industriel,Colmar

névitablement, la quasi-totalité des procédés d’épuration appliqués aux effluents résiduaires des secteurs industriel et urbain, qu’ils soient biolo-

giques ou physico-chimiques, aboutissent à concentrer les polluants sous forme de suspension aqueuses ou de boues.

Ces boues constituent des déchets volumineux, puisqu’elles contiennent généralement 95 à 99 % d’eau, et sont génératrices de nuisances dans la mesure où, souvent, elles contiennent des matières organiques fermentescibles et/ou des matières toxiques.

1. Caractérisation des boues résiduaires............................................... J 3 944 - 21.1 Origine, nature et composition................................................................... — 21.2 Caractérisation physique et chimique générale.... .. .. ... .. .. .. .. ... .. .. ... .. .. ... .. .. — 31.3 Principales caractéristiques de l’état physique ..... .. .. ... .. .. .. .. ... .. .. ... .. .. ... .. .. — 31.4 Caractérisation structurelle. Classification générale ... .. .. ... .. .. ... .. .. ... .. .. .. .. — 3

2. Aperçu des filières. Traitement et destinations finales................. — 42.1 Méthode d’approche d’un problème .... .. .. ... .. .. ... .. .. ... .. .. ... .. .. ... .. .. .. .. ... .. .. ... — 42.2 Objectifs du traitement................................................................................ — 4

3. Traitements de stabilisation . ... .. .. ... .. .. ... .. .. ... .. .. ... .. .. .. .. ... .. .. ... .. .. ... .. .. ... . — 43.1 Stabilisation chimique................................................................................. — 53.2 Stabilisation ou digestion aérobie ............................................................. — 53.3 Digestion anaérobie .................................................................................... — 6

4. Traitements d’épaississement et de concentration ....................... — 84.1 Épaississement gravitaire........................................................................... — 8

4.2 Épaississement dynamique........................................................................ — 8

5. Conditionnement et déshydratation................................................... — 105.1 Différentes techniques de déshydratation. Objectifs visés .... ... .. .. ... .. .. ... . — 105.2 Procédés de conditionnement.................................................................... — 105.3 Déshydratation mécanique par filtration................................................... — 115.4 Déshydratation mécanique par centrifugation ..... .. .. ... .. .. .. .. ... .. .. ... .. .. ... .. .. — 16

6. Destinations finales................................................................................. — 186.1 Considérations générales. État de la réglementation.... .. .. .. ... .. .. ... .. .. ... .. .. — 186.2 Valorisation agricole et recyclage .............................................................. — 186.3 Mise en décharge......................................................................................... — 206.4 Incinération .................................................................................................. — 21

7. Conclusions ............................................................................................... — 23

Pour en savoir plus ........................................................................................... Doc. J 3 944

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TRAITEMENTS ET DESTINATIONS FINALES DES BOUES RÉSIDUAIRES ____________________________________________________________________________

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Le traitement des boues est une phase difficile de la lutte contre la pollution, un casse-tête pour l’épurateur, pour des raisons multiples : raréfaction des terrains disponibles pour l’épandage et le dépôt, nécessités et exigences de l’environnement et de l’hygiène publique, etc.

Par ailleurs, l’importance économique de ce problème est illustrée par l’impor-

tance du coût, tant en investissement qu’en exploitation qui peut représenter,notamment pour les stations d’épuration des grandes agglomérations, 40 à 60 % de l’ensemble du traitement des eaux.

Longtemps considéré, comme une opération annexe du traitement des eaux,le traitement des boues ne peut évidemment plus être défini « à la légère ».

De plus en plus, le traitement des boues est constitué, pour l’essentiel, par l’éli- mination, de la manière la plus pratique et la moins coûteuse possible, de ces déchets gênants.

En aval, les possibilités d’évacuation ne sont pas nombreuses et sont soumi- ses à diverses contraintes, dont des réglementations parfois complexes et en tout cas évolutives.

Pour pouvoir résoudre convenablement et rationnellement un problème de boues , il est absolument indispensable de savoir :

— caractériser le « déchet » produit ; — choisir une filière de traitement selon le type de boue et la destination

finale possible.

Dans le cadre du présent article, on traitera de :

— la caractérisation des boues avec un essai de classification générale des déchets issus de l’épuration des eaux résiduaires urbaines et industrielles ;

— l’examen, sous un angle aussi bien technique qu’économique, des possibi- lités offertes actuellement par la technologie moderne, en matière de traitement des boues (à la station d’épuration) et d’élimination finale de ces déchets.

1. Caractérisation des bouesrésiduaires

1.1 Origine, nature et composition

Pour les différentes provenances possibles des boues du traite-ment de l’eau, deux grands réseaux peuvent être retenus :

— le réseau urbain, avec la production de boues résiduairesurbaines et de boues d’eaux d’adduction ou d’eaux potables [2][25] ;

— le réseau industriel, avec production de boues issues du traite-ment de l’eau avant utilisation et des boues résiduaires [1].

Le traitement des eaux (qu’il soit physico-chimique ou biologique)fait toujours appel aux procédés de séparation liquide-solide :

— soit directement sur l’eau à traiter pour l’éliminer des matièresen suspension décantables (obtention de boues primaires) ;

— soit après des réactions de coagulation – floculation ou de pré-cipitation des eaux potables ou industrielles et des eaux résiduairesdes secteurs urbain ou industriel (obtention de boues physico-chimiques) ;

— soit pour extraire la biomasse excédentaire produite lors d’untraitement biologique qui assure la métabolisation de la pollutionorganique soluble et colloïdale au moyen d’une culture bactériennelibre (boues activées) ou fixée (lit bactérien, biofiltre).

On obtient donc des boues biologiques du type boues activées oulits bactériens qui, mélangées avec les boues primaires, constituentles boues fraîches mixtes des procédés d’épuration considérés.

Ces boues biologiques ont une composition différente selon lanature du substrat dégradé, de la charge de fonctionnement duréacteur biologique et du traitement de stabilisation éventuellementpratiqué (boues digérées aérobies et anaérobies).

On doit considérer que le terme générique de « boues » désignele résidu issu de la séparation liquide-solide, à la sortie immédiatedes unités de décantation et de clarification du traitement de l’eau.Leur extrême diversité va de pair avec une composition très hétéro-gène. Pour des raisons voisines de celles expliquant leur hétérogé-néité de composition, leur bilan volumique et massique est très

variable d’une boue à l’autre.

Les quantités de boues produites dépendent de la nature et descaractéristiques physico-chimiques des eaux résiduaires, du condi-tionnement chimique appliqué dans le cadre d’une épuration phy-sico-chimique, du type de traitement biologique mis en œuvre(boues activées ou lits bactériens selon des procédés à haute,moyenne ou faible charge), de la stabilisation (chimique ou biologi-que) utilisé des boues et du type d’appareil de séparation (décanta-tion statique, lamellaire ou aéroflottation) utilisé.

Dans le tableau 1, on trouve les quantités moyennes de boues parhabitant, produites par l’épuration d’eaux résiduaires urbainesselon les différentes filières généralement pratiquées.


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___________________________________________________________________________ TRAITEMENTS ET DESTINATIONS FINALES DES BOUES RÉSIDUAIRES


Les quantités de boues générées lors du traitement d’eaux rési-duaires sont fonction dans une large mesure, non seulement duprocédé de traitement de l’eau, mais aussi de l’industrie concernéeet même du type de fabrication [1] [2].

Pour la production d’eau potable ou d’eau industrielle d’appoint,es quantités de boues dépendent largement de la teneur en ma-ières en suspension de l’eau brute, qui peut aller de moins de

10 mg/L pour un lac, à plus de 200 mg/L pour un fleuve très chargéen période de crue. Par ailleurs, le type de traitement (coagulation –décantation et/ou filtration, décarbonatation... élimination du fer, dumanganèse etc.) influe de façon notable sur le bilan massique desboues produites.

On peut dire que la variabilité des boues est telle que leur caracté-risation est fondamentale pour le choix de la méthode de traitement,ainsi que pour la prévision des performances à chaque stade duschéma de traitement [9].

1.2 Caractérisation physique et chimiquegénérale

Il s’agit de déterminer les caractéristiques générales relatives àchacune des deux phases constitutives, qui s’avèrent être d’utilespoints de repère [13].

Caractéristiques de la phase solide

Il s’agit :— de la concentration en matières sèches (MS) exprimée généra-

ement en g/L pour des boues liquides et en pourcentage en massesiccité) pour des boues solides. Elle est obtenue par séchage à

105 °C d’une échantillon de boue ensuite pesée. Elle inclut à la foises matières en suspension totale (MEST) et les sels dissous ;

ensuite pesé :— de la concentration en matières volatiles solides ou matières

organiques (MVS) qui se détermine par calcination à 550 °C d’unéchantillon de boue préalablement séché à 105 °C ;

— de la concentration en matières minérales (MM) qui se calculeà partir de la précédente

MM (en %) = 100 − MVS

— de la composition élémentaire pondérale ; sa déterminationest longue et délicate. Aussi on se contente généralement de quel-

ques analyses en fonction du but recherché, par exemple dansl’optique d’une valorisation agricole, la recherche d’éléments inté-ressants (carbone, azote et phosphore) ou gênants (éléments métal-liques potentiellement toxiques, composés organiques tels quepesticides, détergents...) ;

— de l’état de surface de la matière solide mesuré par le potentiel

zêta. Caractéristiques de la phase liquide

La composition du liquide interstitiel peut influer grandement surle comportement de la boue (stabilité) tout en intervenant dansl’évaluation des risques potentiels de la mise en décharge ou del’épandage des boues (pollution des eaux souterraines).

Il est donc intéressant de mesurer :

— le pH, la salinité et l’alcalinité ;— la teneur en acides volatils (composés intermédiaires d’une

dégradation anaérobie des matières organiques) ;— les DBO5 et DCO, grandeurs permettant d’estimer la pollution

organique ;— certains composés comme, par exemple, les sulfures (indice

d’un milieu réducteur).

1.3 Principales caractéristiques de l’étatphysique

Nous considérons ici les propriétés mécaniques des boues plusou moins concentrées et, plus précisément, leur consistance [14].

Un certain nombre de notions sont utilisables à priori pour décrirel’état physique d’une boue lorsqu’on veut en assurer la manuten-tion. Il s’agit de :

— la liquidité ;— la plasticité (aptitude à la compaction) ;— la friabilité ;— l’adhérence ;

— le comportement à l’agitation, etc.Il existe des tests de caractérisation spécifique, permettant de

classer une boue déterminée parmi trois états physiques conven-tionnels : liquide, plastique, solide avec retrait (friable).

1.4 Caractérisation structurelle.Classification générale

Du point de vue structurel, les boues doivent être considéréescomme des véritables systèmes colloïdaux dont la forte stabilité estdéterminée par la nature des propriétés de surface des colloïdes etpar les interactions entre particules.

Il apparaît que l’aptitude plus ou moins grande à la déshydrata-

tion est définie par la structure même des boues, dans la mesure oùles particules élémentaires qui les constituent possèdent une capa-cité d’absorption de l’eau très variable, fonction de leur nature et deleur composition physico-chimique.

On peut évaluer les forces de liaison de l’eau avec les particulespar des études thermogravimétriques [9] qui permettent de définirla nature de la rétention de l’eau dans les boues, c’est-à-dire le tauxd’eau libre (facilement éliminable) et liée (eau capillaire et cellulairedont l’élimination s’avère difficile).

Il a été prouvé que la déshydratation est d’autant plus difficile quele caractère hydrophile de la boue est plus marqué et, plus précisé-ment, que l’eau liée, par rapport à la matière sèche, et l’énergie deliaison, relative de l’eau absorbée par les particules, sont plusimportantes.

Tableau 1 – Bilan des boues urbaines

Schémas de traitementProduction(gMS/hab.j)

Traitement primaire ................................................ 40 à 60

Traitement physico-chimique(sels de fer ou d’aluminium) ................................... 80 à 110

Traitement biologique (boues activées) :

– procédé classique :

• boues fraîches mixtes ........................................... 80 à 85

• boues digérées anaérobies .................................. 50 à 60

– procédé d’aération prolongée ............................. 40 à 50

– procédé d’aération prolongéeet déphosphatation simultanée .............................. 60 à 70

Traitement physico-chimique et biologiqueavec cultures fixées ................................................. 90 à 120

Traitement tertiaire et déphosphatation ................ 20 à 30


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Une approche de classification des boues [12] en fonction de leursprincipales caractéristiques physico-chimiques et structurelles estfournie dans « Pour en savoir plus » ([Doc. J 3 944], tableau A).

2. Aperçu des filières.Traitement et destinationsfinales

Une filière de traitement et d’élimination finale des boues com-prend une suite d’opérations élémentaires assurant une fonctionbien déterminée [7] [17], et pour laquelle il existe un grand nombred’options possibles ; parmi elles doit être fait le meilleur choix, entenant compte des contraintes en amont (nature, caractéristiques etquantités de boues) et en aval (possibilités locales d’éliminationfinale) et cela au meilleur coût.

2.1 Méthode d’approche d’un problème

La figure 1 illustre la méthode d’approche à mettre en œuvre,pour résoudre rationnellement un problème de boues.

La meilleure voie impliquera :

— la caractérisation de la boue (évaluation de la compositionphysico-chimique et structurelle des boues et de leurs caractéristi-ques en rapport avec leur traitabilité) ;

— le choix, après une évaluation technico-économique des diffé-rents procédés de traitement envisageables, d’une filière aboutira àun déchet dont l’élimination finale est possible au meilleur coût.

2.2 Objectifs du traitement

Qu’ils s’agissent de boues urbaines ou industrielles, on s’appuie,dans la conception d’un schéma de traitement de boues, sur lesmêmes principes, dans la mesure où l’on poursuit en réalité deuxobjectifs principaux :

— la réduction des nuisances olfactives, ce qui implique évidem-ment, la stabilisation des boues riches en matières organiquesfermentescibles ;

— la réduction du volume des boues, afin de faciliter leur manu-tention et diminuer leurs frais d’élimination finale.

On procède généralement en deux stades, afin d’assurer une éli-mination plus ou moins poussée de l’humidité des boues :

— 1er stade : épaississement (sédimentation – centrifugation –flottation) ;

— 2e stade : déshydratation mécanique selon les principes decentrifugation (décanteuses continues) ou de filtration (filtres sousvide, sous pression ou à bandes presseuses).

Pour l’élimination finale des boues déshydratées, on peut envisa-ger, en fonction de leur composition physico-chimique, trois desti-nations, principales :

— la mise en décharge contrôlée ;

— la valorisation agricole ou autres types de valorisation pourcertaines boues industrielles ;

— l’incinération.

Comme le montre le schéma général de la figure 2, établi aussibien pour les boues urbaines que du secteur industriel, il existe denombreuses options, si bien qu’un nombre important de filièressont théoriquement utilisables pour résoudre un problème donné.Seule une étude préalable sérieuse du problème posé et la prise encompte, en fonction des objectifs visés, de considérations aussi bientechniques qu’économiques permettent de dégager une filière

rationnelle et fiable.

En réalité, c’est la destination finale possible de la boue déshydra-tée qui orientera, dans une large mesure, le choix du traitement desboues.

Il faut particulièrement souligner, par ailleurs, l’incidence de lafilière de traitement des effluents sur la traitabilité des boues produi-tes et, par conséquent, sur le coût du traitement, tant en investisse-ment qu’en exploitation.

Il en résulte la nécessité d’optimiser l’ensemble des chaînes detraitement « eau » et « boues » et pas seulement la seule filière detraitement des boues.

3. Traitementsde stabilisation

Le rôle assigné à la stabilisation est d’assurer la réduction ducaractère fermentescible des boues organiques, pour éviter les nui-sances, notamment l’émission de mauvaises odeurs lors de leurstockage et de leur traitement de déshydratation. La destruction desgermes pathogènes peut parfois être aussi un objectif.

Les boues produites à l’état liquide peuvent être stabilisées pardes procédés de traitement chimiques ou biologiques (aérobies ouanaérobies) [26].

Figure 1 – Méthodologie pour le choix rationnel d’une filièrede traitement des boues

Recensementdes contraintes

d'amont et d'aval

Examen critique des procédésunitaires et de leur assemblage

en filières

Recensementdes possibilitésde traitement

Filières techniquementadaptées

Filières techniquementinadaptées

Dimensionnement

Évaluationéconomique

Sélectiondéfinitive

Filièreretenue

Exclusion

Filières économiquementinadéquates


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3.1 Stabilisation chimique

Elle est obtenue par adjonction massive de chaux aux boues.L’élévation de pH a pour effet de bloquer les fermentations et d’évi-er ainsi le dégagement de mauvaises odeurs. On procède générale-

ment à l’adjonction de chaux éteinte (sous forme de lait de chaux)soit en amont d’un épaississeur de boues pour y stopper les fermen-ations, soit sur les boues liquides épaissies avant valorisation agri-

cole.

Même avec des fortes doses de chaux allant jusqu’à 30 % enmasse de la matière sèche, il ne s’agit en réalité que d’une stabilisa-ion temporaire, qui n’autorise pas un stockage de longue durée.

C’est pourquoi, on préfère, très souvent, employer des procédésbiologiques de stabilisation, qui éliminent la matière organique faci-ement biodégradable, à l’aide de bactéries spécifiques aérobies ou

anaérobies.

3.2 Stabilisation ou digestion aérobie

Ce procédé consiste à aérer la boue pendant une période prolon-gée, au cours de laquelle les microorganismes aérobies, placés enphase de respiration endogène, dégradent les matières organiquesibres ou stockées dans la masse bactérienne. La disparition de la

masse active suit une loi exponentielle :

M = M 0 exp −bt

avec b ≈ 0,18 si t est exprimé en jours.Comme tout processus biologique, la stabilisation est fortement

nfluencée par la température. La durée d’aération des boues est auminimum de 10 jours à 20 °C et 14 jours à 12 °C.

3.2.1 Mise en œuvre

La digestion aérobie peut se mettre en œuvre dans le bassind’aération lui-même dans les procédés d’épuration en « aérationprolongée », soit dans un bassin aménagé à cet effet avec les bouesen excès ou les boues fraîches (boues primaires + boues activées).

Il faut noter que l’obtention d’une bonne stabilisation des bouesne dépend pas seulement du temps de séjour, mais aussi de la

charge volumique en matières sèches volatiles introduites expriméeen kg MVS/j rapportée au volume (en m3) du bassin de stabilisation.Pour le dimensionnement, on utilise généralement des charges de1,5 à 2 kg MVS/(m3 · j) pour les boues activées et de 3 à 4 kg MVS(m3 · j) pour les boues fraîches.

Pour utiliser au mieux le volume disponible du bassin, on a intérêtà maintenir une concentration en boue la plus élevée possible (defaçon à augmenter le temps de stabilisation). Une concentration de20 à 25 g/L est idéale. Il est toujours plus facile d’épaissir les bouesavant stabilisation qu’après.

Les systèmes d’aération utilisés sont soit des diffuseurs à grossesou moyennes bulles, soit des aérateurs de surface.

L’alimentation en boues des bassins de stabilisation doit être la

plus régulière possible ; la forme des ouvrages doit être conçue detelle sorte que le balayage hydraulique soit parfait (vitesse de fondde 0,15 à 0,25 m/s).

3.2.2 Performances obtenues

La stabilisation aérobie [10] nécessite une consommation énergé-tique non négligeable. Le dimensionnement des dispositifs d’aéra-tion est généralement conditionné par les nécessités de brassage etde turbulences plutôt que par les besoins en oxygène.

Pour assurer une homogénéité suffisante, il faut prévoir, avec uneaération par turbine, une puissance installée de 30 W/m3 ; l’apportd’oxygène dans les bassins de stabilisation est généralement réalisépar un fonctionnement périodique des aérateurs. Dans le cas d’uneaération par air surpressé (moins utilisé), on adopte souvent un

débit d’air de 5 à 6 Nm3 /h par m3 de bassin (Nm3 = normomètrecube).

Le taux de réduction des matières organiques est fonction de ladurée de stabilisation, en relation étroite avec la charge volumiquedans le bassin de stabilisation, de la température et de la nature dela boue. Il varie ainsi entre 15 à 25 % (valeur maximale).

La stabilisation aérobie thermophile a été récemment remise àl’honneur dans certains pays. Elle utilise le caractère exothermiquedes réactions d’oxydation pour porter la température du réacteurbiologique à des valeurs de 45 à 60 °C, ce qui, avec un temps deséjour suffisant, permet de dégrader la matière organique dans desproportions plus élevées (proche de la digestion anaérobie) etd’assurer, en outre, une bonne élimination des germes pathogènes.Les inconvénients sont une mise en œuvre délicate, une forte

Figure 2 – Filières de traitement des boues d’épuration

Boues provenantde l'épuration des eaux

Boues liquidesdu traitement des eaux usées

Épaississementgravitaire Épaississement

Séparationcentrifuge

Flottation

Digestionanaérobie Stabilisation

Digestionaérobie

Stabilisationchimique

Conditionnementthermique Conditionnement

Conditionnement chimiquepar polyélectrolyte

Conditionnement chimiquepar sels minéraux

Séchage thermiqueou atmosphérique Déshydratation

Filtrationsous vide

Filtreà bandes

CentrifugationFiltrationsous pression

Mise en déchargecontrôlée Élimination finale

Valorisationagricole

IncinérationAutre typede valorisation


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dépense énergétique et une certaine sensibilité aux variations decharges.

3.3 Digestion anaérobie

La digestion anaérobie, qui se réalise par fermentation méthani-que des boues dans des cuves fermées, à l’abri de l’air, nomméesdigesteurs, permet d’atteindre un taux de réduction des matièresorganiques de 45 à 50 % en masse.

3.3.1 Métabolisme anaérobie

On distingue, dans le mécanisme de la dégradation des matièresorganiques par voie anaérobie, deux phases qui coexistent lorsquele digesteur est alimenté en continu (figure 3) :

— une phase de liquéfaction, pendant laquelle les matières orga-niques (protéines, graisses, glucides) sont dégradées par des enzy-

mes extra et intracellulaires sécrétées par certaines bactéries etconverties en molécules plus simples : acides aminés, acides gras etsurtout acides volatils (formique, acétique, propionique, buty-rique...) ;

— une phase de gazéification, où les acides volatils sont consom-més par d’autres micro-organismes (bactéries méthaniques) ettransformés, par l’intermédiaire d’enzymes intracellulaires, dioxydede carbone et méthane, produits ultimes de la digestion.

Une bonne digestion des boues se caractérise par :

— un pH de la masse boueuse compris entre 6,8 et 7,8 ;— une concentration en acides volatils dissous inférieure à 1 g/L ;

— une bonne production de gaz contenant 70 % en volume deméthane, qui constitue en fait le véritable « baromètre » d’une ins-tallation de digestion.

On estime, dans le cas des eaux usées urbaines et dans de bonnesconditions de marche du digesteur, la production à :

— 800 à 1 000 NL de gaz par kilogramme de matière organiquedétruite (NL = normolitre) ;

— ou encore à 400 – 500 NL de gaz par kilogramme de matièreorganique introduite.

Les bactéries méthaniques, qui sont les plus sensibles aux condi-tions du milieu (température, pH, présence de toxiques) et les pluslentes à se reproduire, règlent la vitesse globale de la digestion.

Tout déséquilibre se traduira par une accumulation, dans le diges-teur d’acides volatils qui, après avoir neutralisé l’alcalinité du milieu,provoqueront une baisse de pH entraînant l’arrêt de la fermentationméthanique.

3.3.2 Conditions d’une bonne digestion

Plusieurs paramètres influent sur le rendement de la digestionanaérobie [11] :

— la température de la masse de boues qui doit être suffisante et

la plus constante possible ;— le temps de séjour des boues dans le réacteur de digestion quiest fonction de la charge de fonctionnement du digesteur expriméeen kg MVS de boue introduite par jour et par m 3, et de la tempéra-ture de la masse boueuse ;

— une concentration élevée des boues à l’alimentation pour limi-ter le volume, et par suite le prix du digesteur, et surtout pour accé-lérer les réactions biochimiques et faciliter le démarrage de ladigestion grâce à l’augmentation de la concentration en bactériesméthaniques ;

— un brassage puissant et efficace de façon à homogénéiser lecontenu du digesteur. Il peut être pratiqué par une agitation pure-ment mécanique mais la meilleure solution consiste à assurer unbrassage hydraulique (recirculation de la boue, réinjection du gaz dedigestion) ;

— la régularité de l’alimentation, c’est-à-dire de l’apport en boues

fraîches, et du soutirage des boues digérées pour éviter de perturberle développement des micro-organismes.

3.3.3 Moyens mis en œuvre

La digestion peut être réalisée en une ou deux étapes avec descharges de fonctionnement plus ou moins élevées. La durée derétention des boues dans les ouvrages est fonction de la conceptiondes installations et de la température qui y est maintenue.

On trouvera dans le tableau 2 les bases de dimensionnement desinstallations de digestion anaérobie en une ou deux étapes schéma-tisées dans les figures 4 et 5.

La digestion anaérobie présente un intérêt évident, particulière-ment pour la stabilisation effective et le dimensionnement de la

chaîne de traitement des boues : moins de boue à traiter etmeilleure aptitude à la déshydratation. De plus, il y a productiond’énergie noble (biogaz à base de méthane). Cependant, son coûtd’investissement et la nécessité d’une exploitation attentive la fontréserver plutôt aux stations de grande et moyenne capacité.

Figure 3 – Les différentes étapes du métabolisme anaérobie

Matièresorganiquescomplexes

CH4 + CO2

Acides grasorganiques volatils

(AGV)Alcool (éthanol)

H2

Acide acétique

(30 %)

(70 %)

Hydrolyse - fermentation Acétogenèse Méthanogenèse

Tableau 2 – Valeurs des critères de dimensionnementet de fonctionnement d’une installation

de digestion anaérobie

Digestion

Digesteur primaireDigesteur

secondaire

Chargeen matières

volatiles

Temps

de séjour

Temps

de séjour

[kg MVS /(m3 · j)]

(j) (j)

Digestion à moyennecharge (chauffage à25 °C) ........................... 0,8 à 1,2 30 à 40 -

Digestion à moyennecharge (chauffage à35 °C) ........................... 1,5 à 2 20 à 25 -

Digestion à fortecharge (chauffage à35 °C) ........................... 2 à 3 12 à 16 3 à 4


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Figure 4 – Digesteur unique à moyenne charge (doc. Degrémont)

Figure 5 – Schéma de digestion en deux étapes à brassage par le gaz (doc. Degrémont)

Vased'expansion

Gaz Depuis gazomètre

Vers gazomètre

Thermomètre

Thermomètre

Pompe de circulation de boue pour brise-chapeau

Pompe de circulation de boue pour réchauffage

Pompe de circulation d'eau chaudeP1

P1 P2 P3

P2

P3

Limiteurde pressionet antivide

Limiteurde pressionet antivide

Brise-chapeau

Évacuation des bouesdigérées

Arrivée bouesfraîches

Départ de gaz

Évacuationdu chapeau

Chaudière

à eau chaude

Échangeurde chaleur

Prises

d'échantillonsVers séchage

Vers séchage

Digesteursecondaire

Digesteurprimaire

Potsde purge

Potsde

purge

Trop-plein

Compresseurde gaz

Pompede circulationdes boues

Vers traitement terminal

Vers lagunage

Échangeurde chaleur

ChaudièreVers chaufferieet surpresseurs

Torchère

Gazomètre

Pompe à eau chaude

Arrivée des bouesfraîches


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4. Traitementsd’épaississementet de concentration

C’est le premier stade d’une réduction importante du volume desboues issues des traitements biologiques ou physico-chimiques deseffluents urbains et industriels. Pour pouvoir optimiser aussi bien ledimensionnement que la fiabilité, la sécurité et la régularitéd’exploitation des postes de traitement situés en aval (stabilisationet déshydratation mécanique), le stade de concentration prélimi-naire de la boue va jouer un rôle primordial et il faut obtenir le tauxd’épaississement le plus élevé possible. Différentes techniques sontutilisées pour épaissir des boues [8] [17] :

— la décantation ou sédimentation gravitaire ;— la flottation ;— et à degré moindre, la décantation centrifuge (ou centrifuga-

tion) et les tamis et grilles d’égouttage.

4.1 Épaississement gravitaire

4.1.1 Description. Mise en œuvre

C’est, d’une façon générale, la technique de concentration desboues la plus utilisée. Elle consiste à faire séjourner des boues dansdes bassins de forme cylindro-conique. Jusqu’à 5 m de diamètre, onpeut utiliser le type statique, simple cuve cylindrique à fond conique(45 à 70° sur l’horizontale). Au-delà de cette dimension, on munit descuves à radier à pente faible d’un système de raclage et d’agitationlente dont le rôle est double :

— faciliter le glissement des boues vers la fosse centrale d’oùelles sont extraites ;

— permettre le dégagement de l’eau interstitielle et des gazocclus dans les boues au moyen d’une herse verticale accrochée audispositif tournant.

L’ensemble du dispositif mécanique de raclage est le plus souventà entraînement central avec double bras diamétral. Ce système estconstitué d’une série de racleurs montés « en jalousie » afin d’éviterle blocage de la boue au cours de son transfert vers la fosse centraled’extraction (figure 6).

On a toujours intérêt à construire des épaississeurs de hauteursuffisante, afin de faciliter le tassement de la boue sous le seul poidsde la masse solide. Une hauteur de 3,5 à 4 m, tenant compte duvolume de stockage, est préconisée.

4.1.2 Dimensionnement et performances

L’aptitude à l’épaississement des boues urbaines et industriellesvarie beaucoup d’une boue à l’autre et dépend, dans une largemesure, de la composition et des caractéristiques physico-chimi-ques et structurelles des boues à épaissir.

Les résultats d’exploitation, enregistrés sur un large éventail destations urbaines françaises, permettent de bien connaître les tauxd’épaississement pouvant être obtenus avec les différentes catégo-ries de boues urbaines (primaires, fraîches mixtes, digérées aéro-bies ou anaérobies...).

Pour les boues industrielles, l’approche expérimentale est indis-pensable. Seuls des essais, dont les résultats exploités à la lumièredes théories de l’épaississement [27] de Kynch, Talmage et Fitch...,permettent de déterminer les paramètres fondamentaux de dimen-

sionnement de l’épaississeur (charge spécifique en [kg MS / (m2 · j)]

et d’évaluer les performances susceptibles d’être obtenues sur leplan du taux d’épaississement (concentration des purges en % MS).

Le tableau 3 fournit, à titre indicatif selon la typologie des boues,les charges spécifiques pouvant être adoptées pour le dimensionne-ment de la surface des épaississeurs, ainsi que les concentrationspossibles de la boue épaissie à l’extraction.

Les avantages de l’épaississement gravitaire, réalisé générale-ment dans des décanteurs raclés, résident dans la simplicité du pro-cédé, caractérisé par une dépense d’énergie modérée, qui permetd’avoir un effet tampon non négligeable dans la chaîne de traite-ment des boues, en augmentant la sécurité et la régularité del’exploitation.

L’inconvénient majeur est, dans bien des cas, la surface et levolume importants des ouvrages d’épaississement.

4.2 Épaississement dynamique

Au classique épaississement par décantation statique sontvenues s’ajouter, depuis quelques années, trois techniques d’épais-sissement dynamiques qui, en particulier avec les boues légères(comme les boues biologiques en excès), permettent d’obtenir desmeilleurs taux d’épaississement au prix, il est vrai, d’une plus fortedépense d’énergie électrique et éventuellement de réactifs flocu-lants. Il s’agit de la flottation, de la décantation centrifuge et, plusrécemment, des grilles et tamis d’égouttage.

4.2.1 Épaississement par flottation (*)

Il présente un grand intérêt pour la concentration de suspensionsboueuses à « flocs » légers, de faible décantabilité (boues d’hydro-xydes métalliques, boues biologiques en excès à titre indicatif...). Leprocédé généralement mis en œuvre en traitement des boues estl’aéroflottation, qui produit des microbulles d’air selon la techniquede pressurisation – détente (détente du fluide préalablement mis encontact avec l’air comprimé à une pression comprise entre 3 et6 bar).

Figure 6 – Épaississeur raclé à entraînement central

Alimentation

Vers pomped'extraction

Groupe motoréducteur

Jupe de répartition

Bras racleur


9/23



La pressurisation peut être de deux types :

— directe : pressurisation totale ou partielle de la boue elle-même ;

— indirecte : pressurisation le plus souvent d’eau clarifiée réinjec-ée immédiatement après détente, dans la phase boueuse.

Le principe de l’épaississement des boues par flottation, réalisédans des ouvrages circulaires ou rectangulaires, est résumé par lafigure 7.

Pour de plus amples informations sur la théorie et technologie deséparation par flottation se référer aux articles spécifiques de ceraité.

L’expérience acquise ces dernières années en épaississement parflottation de boues biologiques permet de dégager les conditions deonctionnement et les bases de dimensionnement ci-après :

— concentration d’alimentation en boues activées du flottateur :6 à 10 g/L de MEST ;

— charges spécifiques : 4 à 5 kg MEST/(m2 · h) ;— charge hydraulique : < à 5 m3 / (m2 · h) ;— concentration de la boue flottée : 3,5 à 5 % (masse/volume) de

MS, selon que l’on réalise ou pas une floculation préalable de laboue par des polymères organiques ;

— rendement de séparation : généralement supérieur à 90 %voire à 95 %, après un conditionnement polymérique de la boue.

4.2.2 Épaississement par centrifugation

Il peut être réalisé avec succès au moyen d’appareils centrifugeséquipés d’un bol à assiettes, pour la version autodébourbeur, ou àbuses, commercialisés par certaines firmes telles que Westfalia et

Alfa-Laval ; ils sont susceptibles de traiter des débits importants de50 à 100 m3 /h. Peu utilisée jusqu’à présent, en raison essentielle-ment de problèmes de colmatage, cette technique paraît cependantassez bien adaptée à l’épaississement des boues activées sans con-ditionnement polymérique préalable.

Des résultats très prometteurs ont été obtenus également avecdes machines du type décanteuse continue à axe horizontallorsqu’elles sont conçues avec un bol plein cylindro-conique d’angle

de conicité très réduit (de l’ordre de 4° pour certains modèles).L’obtention de rendements d’extraction supérieurs à 90 % nécessite,le plus souvent, un conditionnement polymérique préalable desboues.

L’épaississement centrifuge présente l’avantage d’obtenir, engénéral, d’une concentration élevée de la phase boueuse par la miseen œuvre d’appareillages dont le faible encombrement permet laconception d’une unité d’épaississement très compacte. L’inconvé-nient majeur vient de frais d’exploitation très importants en énergie.

4.2.3 Épaississement réalisé par des systèmesdrainants (grilles et tamis d’égouttage)

Il a connu un développement récent dans les stations d’épurationbiologique de petite et moyenne capacité, pour obtenir un tauxd’épaississement conséquent pour la valorisation agricole desboues sous forme liquide.

Les équipements mis en œuvre sont de conception simple etrobuste ; ils fonctionnent en continu pour réaliser un épaississe-ment accéléré des boues préalablement floculées à l’aide de poly-mères de synthèse suivant le principe d’égouttage naturel et deraclage.

Le tableau 4 situe les performances et les coûts d’exploitation enénergie, des différentes techniques d’épaississement, mises enœuvre sur des boues biologiques.

Tableau 3 – Épaississement gravitaire de différents typesde boues

Types de boues

Chargesspécifiques

[kg MS /(m2 · j)]

Concentrationde boues

épaissies(% MS)

Boues biologiques urbaines :

– primaires .................................. 80 à 120 8 à 10

– fraîches mixtes(primaires + activées) ................. 40 à 60 4 à 6

– stabilisées aérobiesou aération prolongée ................ 20 à 25 2 à 2,5

Boues physico-chimiquesurbaines . ...................................... 60 à 100 6 à 10

Boues biologiquesindustrielles :

– épuration ER

agro-alimentaires ....................... 15 à 25 2 à 2,5– épuration ER textiles ................ 20 à 25 2 à 3

Boues physico-chimiques :

– décarbonatation d’eaud’appoint ..................................... 250 à 350 15 à 20

– d’épuration d’ER gazde hauts-fourneaux .................... 300 à 400 20 à 25

Boues physico-chimiquesde traitements de surface (hydroxydes Fe, Cu, Zn, Cr) 25 à 30 2,5 à 3

ER : eaux résiduaires

Figure 7 – Principe d’épaississement par flottation

Circuit normal Circuit en variante

Flottateur

Ballonde saturation

Bouesà épaissir

Bouesépaissies

Aircomprimé

Organede détente


10/23



5. Conditionnement

et déshydratation

5.1 Différentes techniquesde déshydratation. Objectifs visés

La déshydratation constitue la seconde étape de réduction duvolume des boues au cours de laquelle on réalise sur les bouesépaissies, stabilisées ou non, une élimination plus ou moins pous-sée de leur humidité résiduelle de façon à les amener à l’état solideou tout au moins « pelletable » (siccité minimale de 18 à 20 % enmasse MS en fonction de la nature et des caractéristiques physico-chimiques de la boue).

On peut avoir recours pour cela à :

— une déshydratation par drainage naturel ;

— une déshydratation mécanique relevant de deux principes, lafiltration et la centrifugation dont les techniques principales sont : lafiltration sous vide, la filtration sous pression élevée (15 bar), la fil-tration sous pression progressive et la décantation centrifuge.

5.1.1 Déshydratation naturelle

La déshydratation naturelle des boues à l’air libre sur des lits desable drainés reste, en raison essentiellement des frais d’investisse-

ment réduits, la technique de dessiccation la plus utilisée dans lesstations d’épuration modestes, malgré les sujétions notables deplace et de main d’œuvre qu’elle entraîne. On utilise des lits deséchage comportant un massif drainant (de 25 cm d’épaisseur),constitué de pierrailles et de stable, sur lequel on réalise un égout-tage naturel des boues. On dimensionne généralement l’aire deséchage pour une capacité de production de 0,2 à 0,6 kg MS/(m 2 · j)fortement influencée par le climat et la nature des boues, qui fontque la durée de séchage, normalement, d’environ 4 à 6 semaines,peut atteindre 3 à 4 mois dans des conditions défavorables. L’enlè-vement des boues séchées à 35 – 40 % (masse/volume) de matièressèches est réalisé le plus souvent manuellement. Une améliorationnotable des rendements des lits peut être obtenue par un condition-nement polymérique préalable de la boue dont l’égouttage se trou-vera accéléré.

5.1.2 Déshydratation mécanique

Pour les stations d’épuration physico-chimique ou biologiquesdes eaux résiduaires urbaines et industrielles, produisant des volu-mes de boues importants, on est évidemment conduit à rechercherdes techniques de séchage plus élaborées, permettant d’aboutirplus rapidement à un résultat.

On a recours pour cela à la déshydratation mécanique, avec miseen œuvre de moyens artificiels procurant une amélioration sensibledu rendement productif par rapport aux moyens naturels.

Il faut cependant noter que la présence, dans la plupart des bouesurbaines ou industrielles, d’une fraction élevée de colloïdes organi-ques ou minéraux à caractère hydrophile ne permet pas toujours debien séparer solide et liquide au moyen de la seule énergie mécani-que.

Pour rendre alors les boues aptes à la dessiccation mécanique, ilest nécessaire de conditionner au préalable ces suspensions, con-centrées en matières solides plus ou moins hétérogènes, dans le butde rompre leur stabilité colloïdale.

5.2 Procédés de conditionnement

La rupture de la stabilité colloïdale des boues peut être obtenueen appliquant plusieurs principes de nature physique, chimique outhermique, ou leurs combinaisons. Les techniques les plus souventmises en œuvre sont les conditionnements chimique et thermique.

5.2.1 Conditionnement chimique

Électrolytes minéraux à polycations

Les électrolytes minéraux à polycations, c’est-à-dire les sels ferri-ques [FeCl3, FeSO4Cl, Fe2(SO4)3] et d’aluminium [Al2(SO4)3 18H2O,AlCl3), généralement utilisés conjointement avec la chaux, restentles plus efficaces et les plus couramment utilisés dans la déshydra-tation des boues organo-colloïdales par filtration sous vide ou souspression élevée. Les doses sont rapportées, en produit pur, à lateneur en matières sèches de la boue.

Polymères de synthèse

Ces dernières années, est apparue sur le marché une largegamme de produits polymériques de synthèse qui, suivant le carac-tère ionique de leurs groupements actifs (neutre, cationique, anioni-que) en solution aqueuse, font intervenir deux modes d’actiondifférents. Pour les polyélectrolytes cationiques, la stabilité colloï-dale des boues est rompue, comme pour les électrolytes minéraux,par simple neutralisation des charges électriques des colloïdes(annulation de leur potentiel zêta par un processus de coagulation).

Dans le cas des polymères non ioniques et anioniques, les bouessont déstabilisées par floculation, procédé qui permet l’union desparticules élémentaires par « pontage » par un processus d’adsorp-tion, puis de réticulation conduisant à la formation d’un floc tridi-mensionnel de structure fibreuse.

D’une façon générale, les polymères cationiques sont des réactifsessentiellement utilisés dans le traitement des boues organiques(notamment pour l’essorage centrifuge avec des doses de 3 à 8 kgde produit sec par tonne de matières sèches).

Les polymères anioniques et non ioniques s’adaptent plus facile-ment aux boues minérales à caractère hydrophobe ou hydrophiledont l’essorage par filtration ou centrifugation peut être assuré avec

Tableau 4 – Méthodes d’épaississement des bouesbiologiques

Type d’épaississementÉnergie

(kWh/t MS)

Conditionne-

ment parpolymères

Concentra-tion boue

épaissie[% (masse/ volume) MS]

Statique gravitaire ....... 10 à 20 non 1,5 à 2,5

Aéroflottation ............... 60 à 100 non en géné-ral

3,5 à 5

Centrifugation .............. 150 à 300 oui 4 à 6

Tamis ou grillesd’égouttage .................. 30 à 60 oui 4,5 à 6

Exemple : pour les boues biologiques, le conditionnement variesuivant la teneur en matières organiques des boues entre 3 et 10 % enmasse de FeCl3 et 6 à 30 % de Ca(OH)2.


11/23



des doses comprises entre 0,5 et 3 kg de produit sec par tonne dematières sèches selon la nature de la boue.

5.2.2 Conditionnement thermique

Il consiste à traiter les boues organocolloïdales par cuisson pardes procédés technologiquement différents (procédés Porteous,Farrer, Von Roll) [19].

Si la boue est chauffée à une température variant entre 160 et210 °C sa structure est irréversiblement transformée en libérant lamajeure partie de l’eau liée ou combinée. Le temps de cuisson variede 30 à 90 min.

Le conditionnement thermique est particulièrement adapté auxstations importantes équipées de digesteurs. Le gaz produit peutalors être utilisé directement dans les chaudières fournissant la cha-eur nécessaire au conditionnement. Les dépenses de fonctionne-

ment sont alors réduites.

L’installation comporte toujours des échangeurs de préchauffageà contre-courant. De multiples schémas de circuits thermiques peu-vent être utilisés. Les échangeurs peuvent être du type « boues-boues » ou mettre en œuvre un fluide auxiliaire, de l’eau le plus sou-vent ou un fluide caloporteur à haut point de vaporisation. Unschéma de fonctionnement souvent adopté est celui du préchauf-age à contre-courant boues-boues suivi d’un apport thermique

complémentaire sous forme de vapeur vive (figure 8).

Le conditionnement thermique ne s’applique en réalité qu’auxboues issues des stations d’épuration des grandes agglomérationsurbaines.

5.3 Déshydratation mécaniquepar filtration

5.3.1 Caractérisation structurelle des bouespar rapport à leur aptitude à la filtration

On peut déterminer expérimentalement, au laboratoire, la plus oumoins grande aptitude à la filtration par la mesure de paramètresfondamentaux du comportement de la boue en filtration, comme :

— la résistance spécifique à la f iltration (α ), qui mesure la filtrabi-lité de la boue dans les conditions de l’essai ;

— la compressibilité du gâteau de filtration (s ), qui caractérisel’évolution de la filtrabilité en fonction du gradient de pressionappliqué ;

— la siccité limite S L, qui indique le terme ultime de la déshydra-tation par filtration sous une pression déterminée.

Pour de plus amples informations sur les aspects théoriques de lafiltration sur support se référer à l’article [J 3 501].

L’aptitude à la déshydratation par filtration est très variable d’untype de boues à l’autre, selon sa composition physico-chimique etsa structure. En effet, certaines boues industrielles de type minéral,à caractère particulaire, seront déshydratées facilement, toutes lesboues organiques ou minérales hydrophiles et colloïdales sont, parcontre, peu ou pas filtrables, dans l’état brut où elles sont produites.

Pour les rendre aptes à la filtration industrielle, il faut réaliser unconditionnement approprié.

5.3.2 Recherche d’un conditionnement en vue

de l’amélioration de l’aptitude à la filtration

On doit, pour cela, faire des essais en laboratoire.

Les essais de floculation, du type jar test , sont insuffisants pourdéfinir le mode de conditionnement chimique le plus approprié, caril faut se garder de croire qu’une excellente floculation assure forcé-ment une bonne filtrabilité de la boue.

Dans un premier stade, pour permettre la sélection des meilleursadjuvants de conditionnement (surtout pour les réactifs polyméri-ques) ou définir les meilleures conditions d’autoclavage (tempéra-ture, durée ce cuisson), on pourra utiliser avec succès le test defiltrabilité par succion capillaire (mise en œuvre de l’appareil TritonElectronics) [16].

Ce test très rapide permet, en conditionnant la boue avec unelarge gamme de floculants, d’établir des courbes (voir figure 9), quitraduisent l’abaissement du temps de succion capillaire en fonctiond’un ajout croissant de réactifs, et dont la comparaison facilite lechoix du floculant.

On devra ensuite, afin d’optimiser le conditionnement défini préa-lablement (c’est-à-dire les dosages à appliquer) et d’évaluer l’amé-lioration des performances de filtration (c’est-à-dire de la productiondes filtres), effectuer obligatoirement des essais de filtration aulaboratoire pour déterminer les paramètres de filtrabilité qui per-mettront de suivre l’évolution de l’état colloïdal de la boue déstabi-lisée dans des conditions de floculation bien définies.

Le traitement en autoclave présente de nombreux avantages :— universalité du conditionnement de toute boue, provenant

de l’épuration d’eaux usées urbaines ou industrielles ;— pas de consommation de réactifs ;— épaississement naturel très important des simples boues

cuites [concentration pouvant dépasser 15 % (masse/volume) dematières sèches] ;

— déshydratation mécanique très aisée : on obtient une sic-

cité de l’ordre de 5 à 10 % plus élevée que celle obtenue avec unconditionnement chimique dans les mêmes appareils d’esso-rage. On peut viser par exemple une siccité de 50 % en masse enfiltration sous pression ;

— pérennité de la floculation quelle que soit la durée dustockage ;

— production de boues stériles.D’un autre côté, les inconvénients du procédé, très séduisant

dans son principe, ne sont pas négligeables :— on ne peut encore prédire rigoureusement les performan-

ces sur une boue quelconque, notamment pour la resolubilisa-tion des matières organiques et la capacité des appareils dedessiccation en fonction des paramètres de marche. Pour uneboue donnée, la capacité et la siccité croissent avec la tempéra-ture et, à moindre degré, avec la durée de cuisson, mais la solu-bilisation croît également ;

— on doit considérer que la masse de matières resolubilisées

engendre 10 à 20 % de la charge polluante (en DBO5) entrantdans les bassins d’aération. Il convient donc d’en tenir comptedans le calcul de ces derniers ;

— les odeurs provoquées par la cuisson sont importantes,aussi bien à l’épaississement qu’à la déshydratation et à l’éva-cuation finale. Elles le sont d’autant plus que la température desboues (sortie des échangeurs) est élevée. Le meilleur moyen deles combattre est de mettre l’ensemble de ces appareils endépression, de traiter l’air pollué ou de l’envoyer dans le fourd’incinération lorsque celui-ci existe.


12/23



Il convient de préciser cependant qu’une expérimentation à une

échelle pilote est toujours souhaitable pour dimensionner une ins-tallation de filtration, car elle permet d’évaluer les capacités de filtra-tion et de préciser avec plus de rigueur les conditions defonctionnement (en particulier d’effectuer un choix approprié dumédia filtrant).

5.3.3 Technologies d’essorage par filtration

5.3.3.1 Déshydratation par filtration sous vide

La filtration sous vide constitue le procédé d’essorage tradition-nel, dont on maîtrise parfaitement le fonctionnement dans lamesure où les unités en service se comptent par milliers, surtoutdans le secteur urbain.

Les filtres couramment utilisés sont du type ouvert à tambourrotatif, c’est-à-dire constitués de cylindres tournant autour d’un axehorizontal, dont le secteur inférieur, immergé dans une auge rece-vant les boues, est constamment sous vide au moyen de distribu-

teurs internes et d’une pompe à vide externe.L’eau interstitielle du mélange liquide-solide, qui traverse les toi-

les filtrantes recouvrant les cylindres, est collectée, puis éliminéepar une pompe d’extraction, tandis que les solides se déposent enun gâteau de filtration, séché au fur et à mesure de la rotation dutambour, puis décollé de la toile, avant une nouvelle immersion decelle-ci dans la boue.

Il existe de nombreuses variétés de ces filtres, qui se différencientnon par leur principe de fonctionnement, mais par un certain nom-bre de critères purement technologiques concernant :

— le tambour du filtre avec ou sans cellules, à toile laquée, à bou-dins métalliques ou à toile sortante ;

Figure 8 – Schéma du traitement thermique selon procédé Portéous (doc. Degrémont)

EntréeBoue à traiter

Boue traitée

Réacteurthermique

Filtre-presse

Stockage dela boue brute

Chaudièreà vapeur

Vapeur

Boue traitée froide

Boue brutefroide

Boue brutechaude

Boue brute chaude

Boue traitée chaude

Boue épaissie

Pompeà hautepression Échangeur

de chaleur

Vanne

de déchargeautomatique

Décanteurintermédiaire Liqueur à recycler

Pompe de filtration

Figure 9 – Courbes expérimentales d’évaluation de l’efficacitéde divers floculants commerciaux A, B , C , D , E

Exemple : le graphique de la figure 10, relatif à une boue primairede station d’épuration urbaine, indique l’augmentation progressive dela capacité industrielle de filtration en corrélation avec la diminutionrégulière de la résistance spécifique à la filtration, avec un ajout crois-sant de réactif polymérique. Le conditionnement optimal, au plan tech-nico-économique, se situe entre 2 et 4 kg/t MS de la boue.

150

25 50 75 100

100

50

Temps de succioncapillaire (s)

A

B

C

D

E

(mg/L)

Figure 10 – Détermination expérimentale du conditionnementpolymérique optimal des boues

109

108

107

106

100

75

50

25

2 4 6 8

Primafloc C7 (kg/ t MS)

α(s2 /g)

Productivitéhoraire de filtration

kg / (m2.h)


13/23



— et surtout la décharge du gâteau essoré par soufflage aumoyen d’air comprimé et d’un racloir par nappe de ficelles ou dechaînes, par rouleau presseur ou par sortie de toile.

Le filtre à vide moderne le mieux adapté à la filtration des bouesdifficile à essorer est incontestablement le filtre à sortie de toile, quipermet un rendement constant par suite du lavage continu des toi-es filtrantes réalisées en fibres synthétiques (figure 11).

Si l’on désire absolument se passer du conditionnement préala-ble de la boue, il est nécessaire de renouveler en continu le média

de filtration, qui peut être constitué d’une couche filtrante en terrede diatomées ou en cendres.

C’est le cas des filtres à précouche que l’on peut considérercomme de véritables « passe-partout », mais auxquels on reproche,outre leur discontinuité opérationnelle exigeant une main-d’œuvremportante, leur faible capacité industrielle de filtration.

Les dimensions de tambour des filtres rotatifs industriels varientde 10 à 60 m2, pour des diamètres et des longueurs allant respecti-vement jusqu’à 3,5 et 6 m.

Les filtres à tambour rotatif, surtout dans leur version perfection-née à sortie de toile rendant possible le lavage continu du média fil-rant, ont connu un grand essor, mais ils semblent néanmoins

actuellement en nette perte de vitesse.

D’une manière générale, la filtration des boues organiqueshydrophiles (cas des boues biologiques urbaines ou industrielles)nécessite un conditionnement minéral préalable. Ce dernier con-siste en l’addition d’une combinaison de sels ferriques (FeCl3 géné-ralement) et de chaux dans des proportions de 3 à 10 % en masseFeCl3 + 6 à 30 % en masse de Ca(OH)2, selon la nature et les caracté-ristiques physico-chimiques de la boue biologique.

On peut viser des capacités horaires de filtration de 15 à 35 kg MS / (m2 · h) et une siccité pour les gâteaux de filtration de 18 à 25 %(masse/volume) de matières sèches (MS).

Dans le domaine des boues minérales hydrophobes, après, sinécessaire, un conditionnement polymérique préalable, le filtresous vide permet d’atteindre une capacité de filtration intéressante[plus de 50 kg MS/(m2 · h)] et une siccité relativement élevée pourles gâteaux 30 à 70 % (masse / volume) MS, mais il est maintenantde plus en plus supplanté par le filtre-presse.

L’utilisation d’un filtre sous vide pour les boues huileuses néces-site une précouche pour protéger la toile contre une action hydrofu-geante, la toile devenant alors le support pour le média réel de lafiltration (généralement des cendres ou de la farine de bois). Lescapacités de production restent assez faibles, car il s’agit d’un pro-cédé de filtration discontinu.

Le filtre sous vide n’est généralement guère adapté à l’essoragedes boues minérales hydrophiles ; les capacités de filtration, malgréun conditionnement minéral à base de chaux très important, restentfaibles [10 à 15 kg MS/(m2 · h)] et la siccité des gâteaux peu élevée(16 à 25 % (masse/volume) de MS).

5.3.3.2 Déshydratation par filtration sous pression

La filtration sous pression met essentiellement en œuvre un filtre-presse, appareil constitué d’un grand nombre d’éléments filtrantsen forme de plaques, recouverts de toiles métalliques en acier ou entissus synthétiques, sur lesquels la boue est plaquée par des pres-sions élevées pouvant aller de 5 à 15 bar [3] [17].

Les inconvénients bien connus de ce procédé d’essorage résidentnotamment dans la discontinuité du traitement, la nécessité d’uneimportante main-d’œuvre, aussi bien pour la conduite des opéra-tions que pour le nettoyage des toiles, qui se colmatent plus oumoins rapidement.

Ces désavantages du filtre-presse ont cependant été considéra-blement réduits par les améliorations technologiques apportées ces

dernières années, comme par exemple une alimentation mieux étu-diée des chambres, la réduction des temps morts par mécanisationet automatisation du débâtissage et rebâtissage, et, enfin, emploi detissus synthétiques plus appropriés.

On pourrait penser que l’essorage des boues biologiques par fil-tration sous pression n’est guère judicieuse du fait de la forte com-pressibilité des matières organiques qui les constituent. Despressions élevées n’améliorent guère la vitesse de filtration et, parconséquent, le rendement du filtre.

Cependant, si on souhaite obtenir des gâteaux de filtration auto-combustibles, c’est-à-dire d’une siccité optimale pour éviterl’appoint de combustible, l’utilisation du filtre-presse se justifie alorspleinement. Il est indiscutablement le seul procédé permettantd’atteindre cet objectif.

Figure 11 – Filtre rotatif sous vide à sortie de toile. Schéma defonctionnement

Arrivéedes boues

Bacd'alimentation

Évacuationà l'air libre

Air comprimé

Eaux sous-pression et lavage

Bouepressée

Filtre

Transporteur

Eauxsous-pression

et lavage

Ballonséparateur

Pompeà vide

Pompeà filtrat

Silencieux

Vers décanteur

Trop-pleinet vidanges

Filtrats

Casse-vide

Filtrats

En effet cette technique de filtration présente des inconvé-nients notables :

— encombrement important de l’installation de filtration ;— frais d’exploitation élevés, surtout si l’on considère les con-

sommations d’énergie (on table sur 1,5 kW par m2 de surface

filtrante) ;— productivité moyenne des filtres, malgré un conditionne-ment, souvent onéreux, donnant des gâteaux de filtration à lalimite de la « pelletabilité ».


14/23



Les filtres-presses modernes sont généralement du type à pla-teaux chambrés, plus faciles à mécaniser pour la décharge desgâteaux, par rapport aux filtres à cadres dont l’automatisation estplus compliquée. De plus, ces filtres sont bien adaptés aux épais-seurs de gâteaux habituelles de 20 à 30 mm. Les temps de presséessont directement proportionnels à l’épaisseur des gâteaux. Desépaisseurs supérieures à 30 mm nécessiteraient des temps de pres-sée trop long.

Les dimensions des plateaux vont de 0,3 x 0,3 à 1,5 m x 1,5 m ;dans ce dernier cas, le volume utile pour 100 à 120 chambres peutatteindre 10 m3, ce qui correspond à une surface totale de filtrationde 400 à 450 m2.

Suivant le type de boues, ses caractéristiques physico-chimiqueset leur conditionnement, les temps de pressées varient de 1 à 6 hmais est le plus souvent limité à 2-3 h. Les capacités de filtration sesituent entre 1,25 et 15 kg MS/(m2 . h).

Quoique étant presque toujours l’appareil le plus coûteux eninvestissement, le filtre-presse est, dans sa version moderne, deplus en plus utilisé (figure 12).

La déshydratation mécanique sur filtre peut être utilisée avec suc-cès sur la quasi-totalité des boues. Sur les boues minérales hydrophiles, le filtre-presse permet

d’obtenir des gâteaux de forte siccité (30 à 40 % (masse/volume)MS), à condition de procéder à un chaulage important qui a un effettrès favorable sur leur structure (notamment pour les bouesd’hydroxydes métalliques). Les capacités de filtration restentmodestes 2 à 3 kg MS/(m2 . h). Dans le cas des boues minérales hydrophobes, la meilleure

capacité de production et la siccité la plus élevée sont obtenues avecdes boues denses dont la granulométrie sera déterminante. La filtra-tion est effectuée généralement sans agent de conditionnement, cequi est évidemment un avantage important par rapport au filtre à

Figure 12 – Schéma général de filtration sous pression. Boues organiques hydrophiles

Échantillon

Échantillon

Épaississeur

Boue

StockageFe Cl3

PompedoseuseFe Cl3

Stockage boue conditionnée

Fe Cl3 Ca (OH)2

Eau de ville

Transport secondaire

Purgenoyau central

Filtre presse

Transport primaire

Air comprimé

Compresseur

Sonde finde filtration

Bouepressée

Lavage du filtreLaveur

Pompe HP Cuvede stockage

Préparationdu laitde chaux

Stockagede chaux

Conditionnement

Pompesinjectionde chaux

Pompe HPde boue

Pompe volumétriqueextraction

Le filtre-presse apparaît en effet incontestablement comme lemoyen technique le plus sûr et le plus fiable pour :

— obtenir des gâteaux de siccités élevées, permettant leurautocombustion en incinération ;

— faire face aux exigences de plus en plus sévères de mise endécharge ;

— le cas échéant, limiter de façon notable les frais de trans-port des boues essorées loin des décharges.


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vide et au filtre à bande presseuse. On peut viser des capacités defiltration de 10 à 15 kg MS/(m2 . h) avec des siccités pour les gâteauxde 60 à 75 % (masse/volume) de MS.

Sur les boues huileuses, où les huiles et les graisses sont émul-sionnées ou absorbées sur les particules, l’utilisation du filtre-presse reste possible : il n’y a pas d’effet hydrofuge grâce aux pres-

sions élevées, mais une addition de chaux à 20 % de MS est souventrequise pour obtenir des capacités de production suffisantes [1,5 à2 kg MS/(m2 . h)] pour des siccités de gâteaux de 30 à 35 % (masse/ volume) de MS.

Enfin avec les boues organiques hydrophiles (boues biologi-ques de stations d’épuration urbaines ou industrielles), l’obtentionde bonnes performances en filtration sous pression implique géné-ralement un conditionnement minéral (utilisation de la combinaisonFeCl3 + chaux) qui permet d’atteindre, pour des productivités horai-res de 1,5 à 3 kg MS/(m2 . h), des siccités de gâteaux de 35 à 45 % deMS selon la nature des boues. Les doses de réactifs sont particuliè-rement importantes de 6 à 10 % en masse de FeCl 3 et 10 à 30 % enmasse de Ca(OH)2, par rapport aux matières sèches.

Le conditionnement thermique, presque exclusivement appliquéaux boues fraîches ou digérées d’importantes stations d’épurationd’eaux urbaines, fournit une boue extrêmement facile à déshydra-er. Les siccités des gâteaux obtenues peuvent atteindre près de

50 % (masse/volume) de MS et les capacités de production 3 à 5 kgMS/(m2 . h).

Il est important de noter, le regain d’intérêt pour le condition-nement polymérique, qu’on avait tendance à éviter à cause ducaractère « collant » des boues qu’il produisait, rendant ainsi leavage et le débâtissage très contraignants. Il semble que l’appari-ion sur le marché de nouvelles formulations de produits, ainsi

qu’une meilleure maîtrise de l’adjonction aux boues du réactif poly-mérique (asservissement au débit massique et localisation de’injection) permettent d’envisager la mise en œuvre de ce condi-ionnement (à raison de 5 à 8 kg/t de MS de la boue) sur des boues

souvent préconditionnées avec du chlorure ferrique. L’avantagemportant qui en résulte est la réduction, parfois très conséquente,

du bilan massique des boues produites dont la siccité (30 à 35 %masse/volume) de MS) permet l’autocombustibilité.

5.3.3.3 Déshydratation par filtration sous pressionprogressive (utilisation de filtres à bande presseuse)

La technique de filtre à bande a connu un intérêt croissant ces der-nières années, surtout pour le traitement des boues issues de sta-ions urbaines ou industrielles de petite et moyenne importance.

Elle doit essentiellement son développement aux progrès accomplisdans la floculation des boues par l’emploi mesuré des polymèresorganiques de synthèse les mieux adaptés.

De par son principe figure 13 il s’agit de l’essorage progressif [15]17] en trois temps de boues bien floculées :

— dans un premier temps, un simple égouttage de l’eau intersti-ielle libérée par la floculation, sorte de drainage selon le principe dea filtration sous très faible pression ;

— dans un second stade, un pressage, ce qui rend le gâteau fil-rant compact, selon le principe même de la filtration sous pressionà 2 ou 4 bar) ;

— enfin, le cisaillement de la masse, pour en extraire le maxi-mum d’eau libre et liée par combinaison les techniques de pressionet de cisaillement.

Le procédé de filtration existe sur le marché sous différentesvariantes suivant les constructeurs :

— Allemagne : Siebbandpresse et S-Presse Klein, Winkelpresse Bellmer ;

— Autriche : filtre Andritz ;— Scandinavie : Suction-Filter-Press Apag ;— Suisse : Rollpresse (Von Roll) ;— Angleterre : Filtre Smith-Loveless ;

— France : Presse Omega (Emo) Pressdeg et Superpress Degré-mont.

Se présentant comme un appareil horizontal ou vertical, ou bien

en combinaison horizontale-verticale, cette technique comprendune bande unique (pour les appareils horizontaux) ou double (appa-reil vertical ou combiné), la pression étant exercée par une bandeauxiliaire presseuse et non filtrante (cas de la bande filtrante uni-que).

La bande presseuse emprisonnera la boue, déjà suffisammentconsistante, sur la première partie de la bande filtrante et l’essoragese poursuivra par l’application de pressions progressivement plusfortes, à l’aide de rouleaux agissant sur la bande presseuse.

L’utilisation de cette filtration implique obligatoirement :— une floculation adéquate de la boue à drainabilité maximale,

pour favoriser l’égouttage, avec une répartition sur toute la largeurde la bande ;

— une bonne cohésion de la boue égouttée, de façon à éviter sonfluage lors du pressage, puis du cisaillement du gâteau.

En utilisant les matériels performants de la dernière génération,on peut sur les boues organiques hydrophiles (boues biologiquesurbaines et industrielles) obtenir une siccité de gâteau de 20 à 25 %(masse/volume) de MS, selon la nature des boues, pour des capaci-tés de production des filtres de 200 à 400 kg MS/h par mètre de lar-geur de bande. La consommation de floculants cationiques varie de5 à 8 kg/t MS de la boue.

Les boues minérales à caractère hydrophile (boues d’hydroxydesmétalliques par exemple) se comportent de façon analogue auxboues organiques. Elles s’avèrent difficiles à déshydrater. Pour unconditionnement polymérique anionique, à des doses de 0,2 à0,3 %, il convient de noter les faibles taux de production [150 à200 kg MS/(h · m)] et les faibles siccités des gâteaux obtenus (entre

Figure 13 – Schéma de principe d’un filtre à bande presseuse

Les essais réalisés sur différents modèles de filtres ont mon-tré que les performances de l’essorage (capacité de productiondes appareils exprimée en kg MS/h par mètre de largeur debande ; rendement de filtration ; siccité des gâteaux) dépen-daient dans une large mesure :

— des caractéristiques physico-chimiques et structurelles desboues à traiter ;

— de la technologie du matériel de filtration : les filtres à ban-des de la première génération sont totalement dépassés àprésent ;

— des conditions d’exploitation en l’occurrence le réglagedes paramètres « machine » (vitesse linéaire, tension des toileset intensité de pressage) et l’adaptation des paramètres opéra-tionnels (débit d’alimentation, concentration en MS, choix judi-cieux du conditionnement polymérique).

Bouepressée

Zonede drainage

Zonede pressage

Zonede cisaillement

Toiles

Toiles

Rouleauxpresseurs

Boue

Rouleauxsupport

Rouleaud'entraînement

Rouleauxd'entraînement


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16 et 25 % (masse/volume) MS). Le chaulage à forte dose permetd’améliorer ces performances.

Avec les boues de nature particulaire hydrophobe, des capacitéset des siccités élevées sont obtenues ; il en est de même sur lesboues fibreuses de l’industrie papetière. Avec un conditionnementpolymérique anionique n’excédant pas 0,2 % on peut atteindre desproductivités de 300 à 500 kg MS/(h · m) avec des siccités pour lesgâteaux de filtration de 30 à 35 % (masse/volume) de MS. 5.4 Déshydratation mécanique

par centrifugation

La centrifugation, appliquée pour l’essorage des boues, met en

œuvre des machines du type décanteuse continue à axe horizontal,constituées d’un bol plein tournant à grande vitesse, séparant lesphases solides et liquides (on peut atteindre 3 500 g), et d’une visracleuse hélicoïdale coaxiale au bol, qui permet l’extraction en con-tinu des boues déshydratées [18].

Sous des appellations diverses, de nombreuses centrifugeusestype décanteuses sont proposées par des constructeurs (voir « Pouren savoir plus » [Doc. J 3 944].

Toutes ces machines possèdent des paramètres de constructionqui leur sont propres (figure 15) et dont dépendent évidemment lesperformances de centrifugation pouvant être obtenues, à savoir :

— le rendement d’extraction des matières solides ;— la siccité du produit évacué de l’appareil.

Figure 14 – Schéma général d’une filtration sous pressionprogressive (doc. Degrémont)

La technique d’essorage par filtres à bande presseuse (voir leschéma général, figure 14) présente de nombreux avantages :

— robustesse, simplicité de construction et de conduite desappareillages, qui peuvent être montés sur plate-forme mobile ;

— procédé de déshydratation continu, fiable à condition deréaliser une bonne floculation des boues avec des polymèresappropriés ;

— frais d’exploitation très faibles en ce qui concerne laconsommation électrique (5 à 20 kWh/t MS boue).

Quelques inconvénients cependant :— consommation non négligeable d’eau neuve pour le

lavage des toiles filtrantes (les eaux de lavage renfermant desteneurs de 100 à 500 mg/L en matières en suspension) ;

— coût d’investissement encore assez élevé pour les filtresles plus performants ;

— impossibilité d’atteindre, par cette technique, des siccitésde gâteaux aussi élevée qu’avec un filtre-presse.

Bacde stockage

Bacde stockage

Eau Aircomprimé

Floculateur

Préparationdes floculants

Bacsde mise

en solution

Disperseurs

Agitateur Agitateur

Bouesdéshydratées

Débitmètres

Pompedoseuse

Pompedoseuse

Filtrat+ lavage

Alimentationdes boues

du filtreà bandes

Boues

Figure 15 – Différents types de décanteuses continues

Centrat(liquide)

Centrat

Boues déshydratées(sédiment)

Bouesdéshydratées

(sédiment)

Bouesdéshydratées

(sédiment)

Alimentation

en bouesliquides

a contre-courant alimentation centrale

b équicourant alimentation tangentielle

c équicourant alimentation centrale

Centrat

Alimentation

en boues(liquides)

Alimentationen boues(liquides)


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Il convient, ce qui est assez délicat à effectuer à priori, de procéderau choix de la machine selon les propriétés physico-chimiques etstructurelles de la boue à traiter.

Par ailleurs, il est important de signaler que les performancesoptimales de centrifugation sont obtenues par un réglage judicieuxdes paramètres « machine » et une adaptation rigoureuse des para-mètres opérationnels à la nature des matières boueuses à déshy-drater.

Dans le tableau 5, on trouve les facteurs influant généralementsur l’efficacité d’une décanteuse continue.

Il faut noter les grands progrès réalisés ces dernières années dansa construction des appareils de centrifugation pour rechercher des

performances satisfaisantes pour un coût d’investissementacceptable :

— adoption d’une meilleure géométrie du bol (généralementcylindro-conique à faible angle de conicité : 4 à 8°) ;

— une meilleure utilisation des variations de l’anneau liquide (enéquicourant ou contre-courant) ;

— alimentation axiale dans presque tous les cas, avec peu ou pasde restriction de passage.

En outre, l’utilisation, de façon beaucoup plus rationnelle, d’adju-vants polymériques de plus grande efficacité a permis d’augmenternotablement les performances de centrifugation. Un conditionne-ment optimal d’une boue à centrifuger est essentiel et doit conduireà la formation de flocs volumineux et lourds, résistant au cisaille-

ment.

Les machines industrielles de centrifugation ont, selon leursdimensions (diamètre du bol compris généralement entre 300 mmet 1 000 mm), les caractéristiques physico-chimiques des boues àcentrifuger et le conditionnement polymérique appliqué (nature etdosage), des capacités de production de 200 kg MS/h (Ø bol300 mm) à 3 000 kg MS/h (Ø bol 1 000 mm).

La figure 16 donne le principe de fonctionnement d’une installa-ion industrielle de centrifugation.

Dans le tableau 6 sont résumées les performances moyennesobtenues pour les grandes catégories de boues urbaines par unedécanteuse de 430 mm de diamètre de bol.

Les avantages de la centrifugation sont résumés ci-après :

— il s’agit d’une technique particulièrement adaptée aux bouesdifficiles à traiter (cas des boues urbaines huileuses par exemple,qu’elle décante bien, tout en assurant une séparation quasi totaledes insolubles) ;

— le faible encombrement des machines, permet de réaliser desunités d’essorage très compactes d’où une économie importante ensurface de bâtiments ;

— l’exploitation de la machine ne nécessite aucune supervisiondirecte et, comme la centrifugation s’effectue en enceinte fermée,les conditions de travail sont parfaitement hygiéniques ;

— à capacité de production horaire égale, le coût d’investisse-ment actuel s’avère très compétitif par rapport à celui des installa-tions de filtration.

Quelques inconvénients notoires cependant :

— obtention de sédiments d’extraction parfois de faible consis-tance, difficiles à pelleter ;

— nécessité de certaines précautions dans la préparation de laboue (par exemple dessablage), pour éviter l’usure prématurée de

Tableau 5 – Paramètres de construction et opératoiresd’une décanteuse continue

Paramètres de constructionParamètres opératoires

de procédé

• Géométrie du bol • Débit l’alimentation

• Rapport • Concentration de la boueen matières sèches

• Angle de conicité α • Conditionnement chimiquede la boue par des réactifspolymériques (floculants)

Vitesse absolue du bolou accélération centrifuge

• Vitesse relative du racleur

• Pas du racleur hélicoïdal

• Profondeur ou volumede l’anneau liquide

L

D ----

longueur du bolgrand diamètre---------------------------------------------=

Figure 16 – Schéma de fonctionnement d’une installationde centrifugation

Tableau 6 – Performances et conditions de fonctionnementd’une installation de centrifugation

Nature et originede la boue urbaine

Consomma-tion enréactif

polymère(anhydre)(kg/t MS)

Capacité deproduction

(kg MS/h)

Siccité dusédiment

[% (masse/ volume) MS]

Boue urbaine mixtefraîche .......................... 3 à 5 300 à 500 20 à 26

Boue urbaine mixtedigérée anaérobie ....... 5 à 6 250 à

Traitements Et Destinations Finales Des Boues Residuaires

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