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Traitement Thermique et Physico-chimique  des Boues Urbaines et Industrielles



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Programmes de Recherche 2000/2001


 


  • Caractérisation des boues
Description sommaire du projet :

L’intérêt de cette étude est de connaître la composition des boues qui vont faire l’objet des études de procédés et de mettre au point des méthodes analytiques fiables et rapides pour caractériser une boue et assurer ainsi sa traçabilité.
Les caractéristiques des boues sont extrêmement variables d’une usine à l’autre car elles dépendent de la nature des effluents et du type de traitement appliqué. La caractérisation des boues passe par la détermination des paramètres suivants : pH, siccité, pourcentage de matière organique, pouvoir calorifique inférieur , composition en NTK, NH4+, P2O5, K2O, CaO, MgO.
Les éléments traces métalliques contenus dans les boues de stations d'épuration peuvent se trouver dans la partie soluble ou dans la partie solide de la boue, sous forme organique ou sous forme minérale. Pour les analyser, il est nécessaire de mettre la totalité de ces éléments en solution, c’est-à-dire de détruire complètement la matière constituant la boue, pour libérer les éléments traces métalliques. La caractérisation des éléments traces métalliques nécessite donc la minéralisation des boues, opération qui doit permettre de solubiliser au mieux l’élément métallique que l’on désire doser. On utilisera différents protocoles analytiques de minéralisations selon la nature de la boue et des métaux : minéralisation à l’eau régale et aux micro-ondes ou fusion à 1050°C. 
Enfin les résidus formés par les différents procédés étudiés devront soit partir en réutilisation soit être placés en décharge. Dans tous les cas, il est donc indispensable de connaître la composition et la structure de ces matériaux et leur réactivité chimique

Objectifs :

  • Caractériser les boues avant leur utilisation en valorisation thermique ou oxydation en voie humide et développer des méthodes d'analyse rapides et fiables pour une meilleure tracabilité
  • Caractériser les cendres et résidus de traitement de façon à mieux connaître les risques et les bénéfices associés à ces types de valorisation des boues
  • Caractériser les boues du point de vue de leur aptitude à être traitées dans des procédés physico-chimiques et thermiques : rhéologie, propriétés thermophysiques, isothermes de sorption, analyse des effluents gazeux.
Méthodologie / Description du travail :
  • Choix, prélèvement et échantillonnage de ces boues en fonction de la technique de valorisation utilisée par la suite
  • Développement de méthodes d'analyse
  • Caractérisation physico-chimique : pH, %MS, %MO, PCI, NTK, NH4, P,K, Ca, Mg
  • Détermination des teneurs en éléments traces métalliques par minéralisation des boues (attaque à l’eau régale et aux micro-ondes ou fusion à 1050°C) et dosages par I.CP./M.S.
  • Caractérisation des cendres et résidus de traitement par analyses minéralogiques et détermination des teneurs en éléments trace métalliques
  • Mesure du comportement rhéologique (rhéomètre plan-plan)
  • Mesure des propriétés thermophysiques : chaleur spécifique et conductivité thermique des boues humides et sèches par des méthodes rapides (transitoires).
  • Mesure des isothermes de sorption et des chaleurs de sorption associées par thermogravimétrie.
  • Mesure de paramètres thermochimiques : composition brute C,H,N,S,O, du pouvoir calorifique supérieur et du point éclair.
  • Analyse par FTIR couplée à la thermogravimétrie des effluents gazeux au cours de transformations thermiques : séchage, dévolatilisation

  • Les procédés de traitement
    • Oxydation en voie humide subcritique
Description sommaire du projet :

La combustion (oxydation) des matières organiques a lieu dans un autoclave, dans l'eau liquide en présence d’oxygène dissous, à haute température (200 à 300°C) pour une réaction rapide, alors que l’ensemble est maintenu en phase liquide par une pressurisation (50 à 120 bars). Elle est considérée comme une technique exploitable pour le traitement d’effluents aqueux trop dilués pour être incinérés. Elle s’adapte bien aux boues urbaines flottées, égouttées ou filtrées dont la charge organique est de l’ordre de 40 à 80 g/L et la teneur en matière sèche de l’ordre de 5%. En pratique, on évapore seulement 10 à 20% de l’eau d’où un bilan énergétique beaucoup plus favorable que l’incinération ou le séchage. De plus, le volume des gaz à traiter est beaucoup plus faible (procédé confiné).

Cette technique déjà utilisée au niveau industriel pour traiter des effluents spéciaux de l’industrie chimique (Novartis - Ciba Geigy en Suisse, Eastman - Fine Chemicals en Angleterre) et des boues urbaines (VerTech® - Apeldoorn aux Pays-Bas). Au stade expérimental, les groupes Videndi / CGE, avec le projet ATHOS® et Lyonnaise des Eaux / Degrémont, avec le procédé MINERALIS®, développent deux techniques proches et on s’attend à ce que les premières réponses à des appels d’offre interviennent avant la fin 2001.

Après traitement, trois phases sont issues du réacteur : un solide, un liquide et un gaz.

Le résidu solide, stable et stérile, facilement déshydratable jusqu’à 60% de siccité, semble répondre, dans certaines conditions, aux critères d'évacuation en centre d'enfouissement technique (classe II ou III) ou être utilisable en remblai,
La liqueur oxydée et le condensât, riches en acide acétique, sont facilement biodégradables mais contiennent de l'azote ammoniacal. Ce flux est recirculé en tête de procédé, dans des conditions qui ne doivent pas perturber le bon fonctionnement du bassin de boues activées,
Les gaz permanents (N2, O2, CO2, CO et COV) subissent habituellement une post-combustion ou une oxydation catalytique à haute température, mais pourraient probablement être traités par filtration biologique et/ou lavage avant rejet à l’atmosphère.

L’oxydation en voie humide subcritique (procédé OVH) est étudié à l’INSA, par le LIPE, depuis plus de 10 ans. Les objectifs scientifiques visent à mieux connaître les étapes du procédé en regroupant des compétences (liaison avec plusieurs membres du laboratoire) englobant le domaine de la chimie (cinétique de réactions, catalyse…), de la thermodynamique (équilibres entre phases, fugacités, activités…), du transfert de matière, des réacteurs chimiques polyphasiques et de l’intégration du procédé dans une filière. Ces connaissances sont utilisées afin de fournir, dans divers domaines, les éléments des modèles à utiliser lors du dimensionnement des installations.

La totalité des installations évoquées ci-dessus fonctionnent en continu, ce qui pose, compte tenu de la température, de la pression et de l’hétérogénéité des boues, des problèmes technologiques ardus (pompage, régulation de niveau, clapets de décharges, récupération de chaleur…) et des problèmes de sécurité lors de la mise en contact de la boue (composés organiques) chaude avec l’oxygène. Les installations industrielles réalisées sont complexes et plus caractéristiques de l’industrie chimique que de celle du traitement des eaux. On imagine mal la dissémination d’un tel savoir-faire et donc la vulgarisation de la technique hors des grosses installations (> 50000 eq. hab.).

Mais, au laboratoire, le traitement est souvent conduit de manière discontinue dans de simples autoclaves. Dans ce cas, on s’affranchit de tous les problèmes technologiques (par chargement à froid et sous pression atmosphérique) et de sécurité (par injection d’air sous pression à froid avant chauffage).

Dans le cadre de la présente opération, l’idée que nous souhaitons évaluer et, le cas échéant, démontrer, consiste à transposer à plus grande échelle le procédé discontinu et à réaliser une installation « rustique » dont la taille correspondrait à typiquement 5000 eq. hab.

Objectifs :

  • Evaluer la faisabilité du procédé OVH conduit par bâchées successives dans des conditions adaptables au traitement des boues des petites collectivités et des PME des IAA.
  • Aspects scientifiques, industriels, économiques, sociétaux et environnementaux
  • Intégration du procédé dans une chaîne de traitement


Méthodologie / Description du travail :

  • Caractériser les boues des petites collectivités et des PME des IAA. Evaluer leur spécificité,
  • Déterminer les conditions adaptées à leur oxydation (température, pression, temps, teneur MeS…),
  • Dresser les bilans d’énergie du procédé,
  • Traiter les gaz et les solides issus de l’installation pour permettre leur retour au milieu naturel,
  • Optimiser le retour en tête des installations de traitement d’eau des résidus liquides,
  • Evaluer la faisabilité, l’acceptabilité, la sécurité et l’impact environnemental du procédé envisagé,
  • Préparer des choix technologiques, les chiffrer, étudier le marché potentiel,
  • Evaluer et protéger l’originalité.



    • Traitement thermique spécifique en lit fluidisé 
Description sommaire du projet :

Depuis 1999, l’ENSIGC a développé un travail de recherche sur l’incinération des boues humides et pâteuses (10 à 30% de matière sèche) en réacteur à lit fluidisé avec un éventuel apport thermique par combustion conjointe de gaz naturel. Cette combustion de gaz peut s’avérer nécessaire quant on doit traiter des déchets dont la combustion n’est pas totalement auto thermique ou lors que la chaleur de combustion n’est pas suffisante pour porter le lit à une température suffisamment élevée, garantissant la destruction totale de composés dangereux. Le procédé envisagé est bien adapté à des installations de petites taille (3000 à 50000 équivalent habitants). Dans le cas de station de petite taille, il est en particulier envisagé l'étude avec les sociétés Biodis et Comessa d'un incinérateur "rustique" pouvant accepter des boues égouttées ; dans ce cas l'effort est fait sur la minimisation de l'investissement et le surcoût du au gaz de combustion peut s'avérer acceptable en situation de crise: refus d'épandage, production de boues excédentaires lors des périodes estivales etc. La société Biodis, bien implantée en Midi Pyrénées dans le domaine aurait pour rôle l'étude du marché, le cahier des charge technique étant de la responsabilité de Comessa. En cas de réponse positive du marché, un dossier sera monté pour obtenir les financements du prototype et le suivi des essais sur site qui seront assurés par le l'ENSIGC.

Dans le cadre de ce projet, Il s’agit de transposer les savoir-faire et les connaissances de notre équipe dans les domaines, de la modélisation, de la combustion, de la pyrolyse et de la gazéification de bois et de charbon en réacteur à lit fluidisé au traitement des boues. Ce travail (la thèse de Orélia GRATIAS) mené conjointement avec GDF et la société COMESSA à Strasbourg, est divisé en 4 phases suivantes :
une étude expérimentale qui sera réalisée sur une installation pilote de taille significative à l’ENSIGC, permettant de traiter 60 kg de boues sèches par jour. Le principe de cette installation consiste à introduire en continu les boues humides dans un lit fluidisé contenant des particules inertes (sable) chauffées par appoint de gaz naturel. Les cendres formées sont entraînées dans le courant gazeux et récupérées en sortie du réacteur à l’aide d’un cyclone. On étudiera l’influence des conditions opératoires sur les évolutions des profils axiaux de différentes espèces gazeuses ( CO, CO2, NOx, NO2, O2, CH4,..) et celles des constituants de cendres volants, notamment des métaux lourds. 

une étude théorique, dont l’objectif est d’introduire dans les modèles du réacteur, auparavant établis,
les cinétiques de différentes transformations (séchage, pyrolyse,..) qui se produisent au cours de l’incinération. Pour ce faire, nous réaliserons une étude expérimentale concernant la détermination de la cinétique du séchage et de la pyrolyse des boues. Ces essais seront réalisés dans une petite installation à lit fluidisé pouvant fonctionner sous atmosphère inerte.

une étude de validation et d’extrapolation, la validation des modèles sera effectuée d’une part à l’aide des résultats obtenus sur l’installation pilote de l’ENSIGC et d’autre part sur les résultats des essais qui seront réalisés sur une installation industrielle de 50 cm de diamètre et de 5 m de hauteur permettant de traiter les boues d’une agglomération de 10000 équivalent habitants. Cette installation est située à la société de COMESSA sur site industriel.
Par ailleurs, parallèlement à ces études, la conception et le dimensionnement d'un lit fluidisé rustique ou d'un dispositif comprenant des appareils annexes permettant la récupération d’énergie ou un éventuel préséchage des boues, la faisabilité technico-économique et l'étude de marché seront réalisés par les ingénieurs de COMESSA, les étudiants de DEA ou de 3ème année de l’ENSIGC et la société BIODIS

Objectifs :

  • Mise en œuvre de la combustion de boues humides dans un lit fluidisé pilote avec appoint de gaz naturel (ENSIGC)
  • Modélisation du réacteur 
  • Validation industrielle
  • Etude de marché, cahier des charges, prix du prototype industriel


Méthodologie / Description du travail :

  • Evaluation de l'incinération par l'analyse des profils axiaux des espèces gazeuses (CO, CO2, NOx, NO2, O2, CH4,..) et celles des constituants de cendres volantes, notamment des métaux lourds ( possibilité d'utiliser des boues enrichies avec un métal), étude de l'influence de l'humidité de la boue
  • Comparaison expérimentale de l'incinération de boues d'origine diverses
  • Etablissement des cinétiques de différentes transformations (séchage, pyrolyse,..) en four à chute et en lit fluide
  • Modélisation du réacteur
  • Essais réalisés sur une installation industrielle de 50 cm de diamètre et de 5 m de hauteur permettant de traiter les boues d’une agglomération de 10000 équivalent habitants. Cette installation est située à la société de COMESSA sur site industriel.
  • Analyse des effluents gazeux par GDF sur site industriel
  • Optimisation des conditions de marche du réacteur COMESSA à l'aide des modèles
  • Conception et dimensionnement d'un lit fluidisé adapté aux petites stations, avec ou sans dispositif permettant la récupération d’énergie avec un éventuel préséchage des boues, 
  • Faisabilité technico-économique réalisée par les ingénieurs de COMESSA
  • Etude de marché par la société BIODIS



    • Séchage et valorisation 
Description sommaire du projet :

Le séchage de boues de stations d’épuration a déjà été retenu par trois collectivités de la région Midi-Pyrénées comme pré-traitement avant une valorisation matière. Deux unités sont à l’heure actuelle installées :
Toulouse avec une valorisation agricole ;
La vallée de la Touyre (Ariège) avec une valorisation en cimenterie.
Une troisième installation devrait voir le jour en Février 2001 à Millau (Aveyron).

Dans les deux derniers cas, le procédé de séchage retenu est un procédé de séchage par contact avec agitation. Le séchage par contact permet de confiner les vapeurs et les odeurs, d’opérer sous atmosphère contrôlée ou sous vide, et présente des risques d’inflammations et d’explosion moindres. Mais le principal avantage est la réduction des quantités de gaz à traiter ainsi que la possibilité de condenser les buées et de récupérer l’enthalpie de condensation. Les inconvénients majeurs de cette technologie viennent des difficultés d’échanges thermiques entre la paroi chaude et un solide mauvais conducteur de la chaleur mais surtout de l’apparition d’une phase "plastique" liée au changement de structure du milieu, qui se traduit par une augmentation du couple du dispositif d’entraînement, de mélange et de cisaillement au cours du séchage. Ces deux inconvénients majeurs ont conduit à un surdimensionnement des installations et à une recirculation de presque 90% du produit sec en tête de séchoir. 

Depuis maintenant quatre ans, le Centre Énergétique et Environnement de l’École des Mines d’Albi Carmaux a acquis des compétences dans le domaine de la caractérisation des propriétés thermophysiques de la boue, des composés organiques volatils émis lors d’un traitement thermique ainsi que dans le domaine du séchage des boues. Pour cela, un pilote instrumenté de séchage par contact avec agitation a été développé. Il permet de déterminer les cinétiques de séchage de la boue en fonction des conditions opératoires (température de séchage, vitesse d’agitation, température de l’ambiance gazeuse, forme du dispositif d’agitation …), les coefficients d’échange paroi/boue et de mesurer le couple associé au dispositif d’agitation. Ce dispositif devrait être à terme un outil d’optimisation des séchoirs industriels par contact avec agitation.

Cette étude dont la durée est de deux ans, vise à :

  • Réaliser avec la même boue des expérimentations in situ et sur la maquette de laboratoire pour s’assurer que les phénomènes observés (comportement rhéologique de la boue et cinétiques de séchage) sont identiques,
  • Déterminer les caractéristiques de la boue après séchage (en termes de pouvoir calorifique, structure de la boue, composition, teneur en métaux …) et optimiser ces caractéristiques en fonction des conditions opératoires et de la voie de valorisation choisie,
  • améliorer la technologie des séchoirs par contact avec agitation, notamment des dispositifs de mélange et de cisaillement des boues, dans une optique d’augmentation des transferts thermiques et de diminution des puissances mécaniques.
A plus long terme, cette étude devrait permettre de définir une typologie des boues relative à leur comportement dans un procédé de séchage par contact et agitation.

Objectifs :

  • Améliorer la connaissance des processus physiques en séchage par contact.
  • Optimiser les séchoirs par contact du point de vue des rejets environnementaux et de la consommation d’énergie
  • Mettre en place un suivi expérimental d’une installation de séchage en région Midi-Pyrénées et étudier les filières de valorisation des boues séchées


Méthodologie / Description du travail :

  • Pour une boue choisie, réaliser des expérimentations sur maquette de séchoir par contact
  • Faire des mesures rhéologiques
  • Déterminer ses caractéristiques physiques et chimiques (pouvoir calorifique, composition brute, teneur en métaux lourds, conductivité thermique, chaleur spécifique). Voir Tache 1. 
  • Etudier l’influence de la forme du mobile sur le mélange, l’agitation de la boue et la consommation d’énergie mécanique.
  • Mettre en place les critères permettant de définir une typologie des boues en séchage par contact.
  • Suivi expérimental d’un atelier de séchage des boues



    • Cotraitement Boues-Huiles


Projet confidentiel


  • Cycle de vie, Banque de connaissance et synthèse des travaux


Objectifs :
 

  • Modélisation des procédés en termes de coût / prix 
  • Modélisation des procédés en termes de risque procédé / risque socio-environnemental
  • Expertise environnementale
  • Expertise technique
  • Expertise technique et administrative


Méthodologie / Description du travail :
 

  • Modélisation des données de base et des modèles de coûts (calculs de coût classiques) par les équipes procédés
  • Modélisation des données de base et des modèles de coûts selon le concept de cycle de vie (LCC: Life-Cycle Cost), avec le support des expertises technique et administrative
  • Méthode de comparaison des procédés pour un choix en fonction des coûts. 
  • Modélisation des données de base et des modèles de prix (pricing des procédés), de contraintes sociales et/ ou juridiques  (approche Intelligence Economique)
  • Modélisation du concept d'acceptabilité
  • Tableau de bord comparatif global de choix entre les procédés en intégrant coûts, prix, contraintes et données socio-économiques
  • Banque de connaissances
  • Modélisation des données de base et des modèles d’évaluation des risques du procédé avec le support de l’expertise technique
  • Modélisation des données de base et des modèles de risques selon le concept de cycle de vie (cf. méthode LCA)
  • Méthode de comparaison des procédés pour un choix ajoutant les risques aux coûts. 
  • Analyse d'impact : expertise environnementale par prévision de déséquilibres biologiques, modélisation, génotoxicité, mesure de l'eutrophisation : enrichissement en éléments nutritifs et augmentation de la production végétale aquatique
  • Modélisation des données de base et des modèles de risque environnemental, social et/ ou juridique  (approche Intelligence Economique)
  • Modélisation du concept d'acceptabilité étendue aux risques
  • Tableau de bord comparatif global permettant un choix entre les procédés intégrant coûts, prix, contraintes socio-économiques et risques
  • Banque de Connaissances
     

     
     
     


Coordinateur : Daniel Steinmetz
ENSIGC - 18 Chemin de la Loge -31978
Toulouse Cedex 4
E-mail: Daniel.Steinmetz@ensigct.fr
 [Domaine privé]
 [liens]
[Ecole des Mines d'Albi-Carmaux]
 20/03/01
Mis à jour par D. Lecomte