Memoire Online - Etude de la filière des boues dans une station de traitement d'eau potable

Les boues issues de station de potabilisation se présentent au départ sous forme liquide avec une forte charge en matière organique hautement fermentescible. Ces deux caractéristiques sont gênantes quelle que soit la destination des boues et imposent la mise en place d'une filière de traitement, c'est-à-dire une suite organisée de procédés qui agissent de façon complémentaire. La réduction du volume des boues est l'enjeu majeur de ce traitement ; elle s'obtiendra en diminuant la teneur en eaux des boues c'est-à-dire en recherchant une siccité (teneur en matière sèche des boues) la plus élevée possible. Cela permettra de diminuer la quantité des boues à stocker en vue de leur valorisation, et d'en maîtriser le niveau quotidien.

L'objectif de se travail est d'une part, utiliser les boues issues de station de potabilisation pour un pré traitement des eaux pluviales, d'autre part, utiliser les mêmes boues pour un pré traitement des eaux usées brutes.

I-GÉNÉRALITÉS:

I-1-COMPOSITION DES EAUX DESTINÉES A L'ALIMENTATION

L'eau est un mélange complexe de substances minérales et organiques. Ceci est lié à ses propriétés particulières dont le fait qu'elle soit un solvant pour beaucoup de substances.

L'eau contient beaucoup de substances minérales présentes sous forme d'ions dissous dont les principaux sont le calcium (Ca²⁺), le magnésium (Mg⁺), le sodium (Na⁺), le potassium (K⁺), les carbonates (CO₃^2-)les bicarbonates (HCO₃^-), les sulfates (SO₄^2-), les chlorures (Cl^-) et les nitrates (NO₃^-).

Les matières organiques peuvent être présentes dans l'eau en suspension (plancton, déchets végétaux, ...) ou sous forme dissoute (hydrates de carbone, acides humiques, pigments et composés d'origine artificielle comme les hydrocarbures, les solvants chlorés ou les pesticides).

Pour avoir une bonne qualité de l'eau, il faut respecter plusieurs paramètres et si l'un des paramètres ne respecte pas les normes il faut traiter cette eau.

Paramètres	Unité	réglementation concernant la qualité de l'eau destinée à la consommation.
Paramètres	Unité	FRANCE	MAROC
pH	-	6,5-8,5	6,5-8,5
Conductivité	ìS/cm à 20?C	400	<2700
Oxydabilité	mg d'O2 /l	5	5
Dureté total	?F	60	-
Calcium	mg/l	100	-
Magnésium	mg/l	50	-
Alcalinité	?F	>2,5	-
Chlorures	mg/l	250	750
Sulfates	mg/l	250	40
Nitrates	mg/l	50	50
Nitrites	mg/l	0,1	0,5
Fer	mg/l	0,2	0,3
Ammonium	mg/l	0,5	0,5

I-2-ORIGINE DES EAUX DESTINÉES À LA PRODUCTION DES EAUX D'ALIMENTATION

Les eaux superficielles sont utilisées pour l'alimentation en eau potable, lorsqu'il y a insuffisance de la ressource en eaux souterraines en raison de la nature des terrains, qui sont peu aquifères, ou d'une forte concentration de la population, dont les besoins ne peuvent pas être totalement couverts par les seules eaux souterraines; même si elles sont abondantes.

Le captage de ces eaux doit respecter les prescriptions énoncées par son arrêté d'autorisation spécifique, pris en application de la législation sur l'eau et du code général de la santé.

I-3- ELIMINATION DES MATIÈRES EN SUSPENSION :

La coagulation consiste dans la déstabilisation des particules en suspension par la neutralisation de leurs charges négatives. On utilise, pour ce faire, des réactifs chimiques nommés coagulants. Le procédé nécessite une agitation importante. Les coagulants sont des produits capables de neutraliser les charges des colloïdes présents dans l'eau.

Plusieurs agents chimiques peuvent être employés dans le procédé de coagulation par exemple :

Ce procédé est utilisé dans la majorité des usines de traitement des eaux pour récupérer les boues. Le but est d'éliminer les particules en suspension dont la densité est supérieure à celle de l'eau. Généralement, ce procédé suit celui de coagulation-floculation, il sert donc à récupérer les flocs préalablement formés.

Lors de la décantation, les particules s'accumulent sous l'action de la gravité. Elles

forment alors une boue qui doit être extraite périodiquement. L'eau clarifiée située à la surface du bassin, peut donc facilement être redirigée vers une unité de filtration.

La filtration est un procédé destiné à clarifier un liquide qui contient des MES en le faisant passer à travers un milieu poreux constitué d'un matériau granulaire. En effet, il subsiste de très petites particules présentes à l'origine dans l'eau brute ou issues de la floculation. La rétention de ces particules se déroule à la surface des grains grâce à des forces physiques. La plus ou moins grande facilité de fixation dépend étroitement des conditions d'exploitation du filtre et du type de matériau utilisé. L'espace inter granulaire définit la capacité de rétention du filtre. Au fur et à mesure du passage de l'eau, cet espace se réduit, le filtre se colmate. Les pertes de charge augmentent fortement. Il faut alors déclencher le rétrolavage. La filtration permet une élimination correcte des bactéries, de la couleur et de la turbidité.

La plupart des circuits de traitement des boues commencent par une étape d'épaississement, qui permet de réduire les coûts d'investissement et de déshydratation, de diminuer le volume des boues à disposer, ainsi que de favoriser l'économie des systèmes de déshydratation. Différentes techniques sont employées: la décantation ou l'épaississement gravitaire, la flottaison à air dissous, la centrifugation, le drainage et le système BEST.

La décantation ou l'épaississement gravitaire consiste en un tassement des boues, dont le temps de séjour est assez élevé. Peu coûteuse, elle est largement répandue pour l'épaississement des boues primaires.

II- TRAITEMENT DES BOUES :

Le traitement des boues consiste à réduire le pouvoir fermentescible et les odeurs des matières organiques présentes dans les boues brutes et, selon la technique employée, à diminuer la quantité de micro-organismes pathogènes ou de substances potentiellement toxiques.

II-1- DÉSHYDRATATION :

La déshydratation permet de donner aux boues une consistance physique plus solide afin de faciliter le conditionnement, la manutention et le transport du résidu final en utilisant divers systèmes mécanisés. On peut distinguer:

Le système de filtration est constitué de cylindres rotatifs dont la partie inférieure est immergée dans la suspension de boue. Le filtrat traverse les toiles qui recouvrent le cylindre et un gâteau se forme à la surface de la toile. Ce gâteau est égoutté au cours de la rotation puis décollé de la toile qui doit être régulièrement nettoyée, nécessitant l'arrêt de la filtration

Dans les filtres-presses, la boue est comprimée entre deux plateaux creux recouverts d'une toile métallique en acier ou en tissu synthétique à une pression se situant typiquement entre 500 et 1500 kPa. Les plateaux sont de forme carrée dont la dimension du côté varie de 0.3 à 1.5 m

Dans les filtres à bandes, la suspension floculée est injectée directement sur la toile filtrante. Une période d'égouttage gravitaire précède généralement l'étape de compression puis de cisaillement de la boue. La pression est exercée par des rouleaux, soit directement, soit par l'intermédiaire d'une bande presseuse. Le procédé peut être mené à basse (400 kPa), moyenne (500 kPa) ou haute pression (700 kPa).

La centrifugation sépare l'eau de la boue sous l'effet d'une accélération de plusieurs milliers de g. Les centrifugeuses sont constituées d'un bol tournant à grande vitesse et d'une vis racleuse hélicoïdale coaxiale au bol qui permet l'extraction des boues déshydratées en continu. L'alimentation peut être centrale ou tangentielle. La circulation de la suspension et de la boue déshydratée peut s'effectuer à co- ou contrecourant.

Le séchage des boues s'effectue sur des lits de sable drainés en deux étapes : le drainage puis l'évaporation-filtration. Dans les régions tempérées, le temps de séchage varie habituellement entre trois semaines et un mois et demi pour 30 cm à 40 cm de boues, et ce, selon les conditions climatiques. Par ailleurs, ce procédé nécessite une emprise au sol considérable, du personnel pour la maintenance (ce qui entraîne une dépense en main-d'oeuvre).

PARTIE

EXPÉRIMENTALES

1-INTRODUCTION

Le non utilisation de boue des stations de potabilisation et son jet dans la nature, a influencé des différents risques et dangers pour l'homme et l'environnement et aussi un coût important en cas de la mettre en décharge. Pour cela nous avons essayé de trouver des solutions et des modes de valorisation de cette boue afin de sauver la nature et aussi, affaiblir la quantité mise en décharge, d'où on a proposé de faire les essais qui suivent dans cette partie.

2-DESCRIPTION DE LA SOCIÉTÉ XXXXXXX

3-PROBLÉMATIQUE DES BOUES : LOIS 10-95 ET 28-00

Les nécessités du développement social et économique imposent de recourir à l'aménagement de l'eau pour satisfaire les besoins des populations. Ces besoins sont eux-mêmes en continuelle croissance, souvent concurrentiels, voire contradictoires, ce qui rend le processus de gestion de l'eau fort complexe et de mise en oeuvre difficile.

Pour faire face à cette situation, il est indispensable de disposer notamment d'instruments juridiques efficaces, en vue d'organiser la répartition et le contrôle de l'utilisation des ressources en eau et d'en assurer également la protection et la conservation.

La loi sur l'eau vise à mettre en place une politique nationale de l'eau basée sur une vision prospective qui tient compte d'une part de l'évolution des ressources et d'autre part des besoins nationaux en eau.

La présente loi a pour objet de prévenir et de protéger la santé de l'homme, la faune, la flore, les eaux, l'air, le sol, les écosystèmes, les sites et paysages et l'environnement en général contre les effets nocifs des déchets. A cet effet, elle vise :

· La prévention de la nocivité des déchets et la réduction de leur production.

· L'organisation de la collecte, du transport, du stockage, du traitement des déchets et de leur élimination de façon écologiquement rationnelle.

· La valorisation des déchets par le réemploi, le recyclage ou toute autre opération visant à obtenir, à partir des déchets, des matériaux réutilisables ou de l'énergie.

· La planification nationale, régionale et locale en matière de gestion et d'élimination des déchets.

· L'information du public sur les effets nocifs des déchets, sur la santé publique et l'environnement ainsi que sur les mesures de prévention ou de compensation de leurs effets préjudiciables.

· La mise en place d'un système de contrôle et de répression des infractions commises dans ce domaine.

4-ETUDE DES CIRCUITS DES BOUES DE DÉCANTEUR

5-ESSAIS DE TRAITEMENT DES SOLUTIONS SYNTHÉTIQUES D'EAUX PLUVIALES BRUTES PAR DES BOUES DES EAUX DESTINÉES À L'ALIMENTATION:

* Jar Test : Début de coagulation : Agitation rapide t = 4 min avec V= 200 tr/min

Tableau 2: Essais de coagulation avec différentes concentrations de boue sur les eaux pluviales.

Concentration de boue (g/l)	0,122	0,238	0,349		0,455	0,555	0,651
pH	8,07	8,06	8,05		8,05	8,04	8,02
Turbidité (FTU)	38	32	38		38	44	32
Conductivité (uS/cm)	1743	1746	1740		1752	1745	1750

Photo a : Coagulation avant décantation				Photo b : Après decantation

Figure 1 : Illustration des résultats de coagulation avant et après décantation

Après caractérisation des échantillons vers la fin de la décantation (Fig.1.b), nous avons conclu que le pH reste constant pour touts les béchers (Fig.2), nous avons constaté pour tous une légère augmentation du pH de 0,51.

En terme de turbidité (Fig.3), nous avons constaté des résultats qui sont peu concluants, car la turbidité n'a pas vraiment changé dans tous les essais même après décantation.

En ce qui concerne la conductivité, la valeur initiale était de 1755uS/cm, les essais ont montré une variation négligeable allant de 1743 à 1752 uS/cm (Fig.4).

Nous avons donc conclu, après cet essai, qu'il est nécessaire de voir les marges d'utilisation des boues pour un rendement plus efficace, nous avons donc décidé, une première fois, d'augmenter la dose des boues pour espérer un meilleur résultat que le premier, et aussi, diminuer les doses pour voir les tendances du rendement.

Nous avons travaillé sur la même eau brute de départ, même caractéristiques, même conditions opératoires. Toutefois, nous avons utilisé des volumes de boues plus petits que dans le premier essai.

Tableau 3: Essais de coagulation avec différentes concentrations de boue sur les eaux pluviales

Concentration de boue (g/l)	0,025	0,050	0,074		0,098	0,122	0,146
pH	8,07	8,06	8,05		8,05	8,04	8,02
Turbidité (FTU)	48	46	40		36	46	42
Conductivité (us/cm)	1743	1746	1740		1752	1745	1750

Photo a : Coagulation avant décantation				Photo b : Après decantation

Figure 5: Illustration des résultats de coagulation avant et après décantation

Pour la turbidité, les valeurs des résultats sont aussi comparables au premier essai (Fig.7), même avec des concentrations moindres.

La conductivité reste variable entre les échantillons, mais d'une façon très négligeable (Fig.8).

Nous concluons, contrairement à ce qu'il nous paraissait au début, ces essais pour des concentrations petites en boue n'ont pas donné des résultats concluants, il reste donc nécessaire de vérifier des concentrations plus élevées.

Nous avons décidé, dans ce qui suit, de faire des essais sur des doses différentes de boues pour un nouvel échantillon plus turbide, et voir les tendances d'évolution.

Nous avons ainsi suivi l'évolution de la coagulation par un ajout croissant de boue en terme de concentration, les résultats vont nous mener à faire un autre essai sur la même eau brute, mais cette fois avec le sulfate d'alumine (coagulant utilisé par la société SEOER), et faire une comparaison entre les deux résultats.

· Jar Test : Début de coagulation : Agitation rapide t = 4 min avec V= 200 tr/min

Cette une boue concentrée : 820 ml comme volume utilisé de 1000 ml de boue (après décantation).

Tableau 4: Essais de coagulation avec différentes concentrations de boue sur les eaux pluviales.

Concentration en boue (g/l)	0,146	0,216	0,284	0,349	0,413	0,475
pH	8,16	8,18	8,15	8,14	8,13	8,15
Turbidité (FTU)	40	40	40	36	50	40
Conductivité (us/cm)	1753	1753	1756	1755	1757	1758
Photo a : Coagulation avant décantationPhoto b : Après décantation Figure 9: Illustration des résultats de coagulation avant et après décantation

Le pH reste constant, avec une très légère variation qui est négligeable (Fig.10).

La turbidité, marque une diminution assez significative, elle est réduite de moitié par rapport à la turbidité initiale avec un minimum dans le cas où la masse en boue est de 0,060 g (Fig.12).

La conductivité reste peu variable, mais d'une façon très négligeable (Fig.11).

Nous concluons, dans cet essai que la turbidité a donnée un résultat où on a un minimum, donc on va fixer cette dose en boue. Sachant la dose optimale en sulfate d'alumine, on va essayer de réduire cette dernière afin d'avoir un gain sur la quantité de sulfate d'alumine.

Tableau 5: Essais de coagulation avec différentes concentrations de Al₂(SO₄)₃ sur les eaux pluviales

Concentration de Al₂(SO₄)₃(g/l)	0,011	0,033	0,055		0,076	0,097	0,117
Turbidité (FTU)	10	2	2		0	2	30
pH	7,84	7,74	7,67		7,77	7,60	7,63
Conductivité (uS/cm)	1746	1740	1746		1740	1739	1732

Photo a : Coagulation avant décantation				Photo b : Après decantation

Figure 13: Illustration des résultats de coagulation avant et après décantation

Pour la turbidité, elle diminue d'une manière beaucoup plus importante, et elle a eu une valeur nulle dans le cas où la concentration de Al₂(SO₄)₃ égale à 0,076 g/l, d'où c'est la dose optimale (Fig.14).

La conductivité a eu une légère diminution, avec un écart de 14 uS/cm (Fig.15).

Nous concluons, dans cet essai que la dose optimale en sulfate d'alumine est de 0 ,076g/l.

Donc dans ce qui suit, on va fixer la dose en boue obtenue dans cet essai, et on va essayer de faire varier la dose le sulfate d'alumine toute en restant à une limite inférieure à la dose optimale.

? Utilisation du Sulfate d'alumine à une concentration de 1,8 g/l + la boue comme pré coagulant sur l'eau brute.

1-Coagulation décantation de l'eau brute mélangée avec de la boue (0,060 g): 20 min d'agitation et 20 min de décantation (même conditions de départ).

2-Le surnageant va subir une coagulation avec le sulfate d'alumine avec les mêmes conditions de temps et d'agitation.

Tableau 6: Essais de coagulation avec différentes concentrations de Al₂(SO₄)₃ sur les eaux pluviales prétraités à la boue

Concentration de sulfate d'alumine (g/l)	0,011	0,022		0,033	0,044	0,055	0,066
Concentration de boue (g/l)	0,349	0,349		0,349	0,349	0,349	0,349
Turbidité (FTU)	19	22		20	16	12	10
pH	7,54	7,54		7,53	7,54	7,54	7,54
Conductivité (us/cm)	1725	1732		1714	1721	1721	1742

Photo a : Coagulation avant décantation			Photo b : Après decantation

Figure 17: Illustration des résultats de coagulation avant et après décantation

Pour la turbidité, elle diminue d'une manière beaucoup plus importante, et elle a eu une valeur minimale de 10 FTU avec une concentration en sulfate d'alumine égale à 0,066 g/l et une concentration de boue égale à 0,349 g/l. (Fig.18).

La conductivité a eu une légère diminution, avec un écart de 20 uS/cm (Fig.19).

6-ESSAIS DE TRAITEMENT DES EAUX BRUTES PAR DES BOUES DES EAUX DESTINÉES À L'ALIMENTATION:

Les eaux usées utilisées dans les essais ci-dessous ont été prélevés d'un rejet émanant d'habitations d'un douar. Elles sont représentées par la photo suivante :

Figure 21: représente les eaux usées domestiques d'une région à proximité de la ville de Casablanca où il n'y a pas d'assainissement

Tableau 7: Essais de coagulation avec différentes concentrations de boue sur les eaux usées

Concentration de boue (g/l)	0,031	0,061	0,090	0,119	0,147	0,174
Turbidité(FTU)	380	370	330	280	255	210
pH	8,23	8,26	8,27	8,27	8,26	8,27
Conductivité (mS/cm)	8,09	7,97	7,89	7,78	7,76	7,68

Figure 22: Illustration des résultats de coagulation avant et après décantation

Après caractérisation des échantillons vers la fin de la décantation (Fig.22.b), nous avons conclu que le pH reste constant pour touts les béchers (Fig.24), le pH initial étant de 8,19, nous avons constaté pour tous une légère augmentation du pH de 0,04.

En terme de turbidité (Fig.23), nous avons constaté des résultats qui sont concluants, car la turbidité a diminué plus que moitié dans tous les essais même après décantation.

En ce qui concerne la conductivité, la valeur initiale était de 8,14 mS/cm, les essais ont montré une diminution allant de 8,09 à 7,68 mS/cm (Fig.25).

Nous avons décidé donc, après cet essai, qu'il faut augmenter la concentration en boue pour voir si ça peut réduire de plus la turbidité, et aussi améliorer les valeurs de pH et la conductivité.

Tableau 8: Essais de coagulation avec différentes concentrations de boue sur les eaux usées

Concentration en boue (g/l)	0,147	0,174	0,201		0,227	0,253	0,277
Turbidité(FTU)	205	190	170		155	150	135
pH	8,26	8,26	8,26		8,25	8,25	8,32
Conductivité (mS/cm)	7,78	7,69	7,67		7,57	7,54	7,45

Photo a : Coagulation avant décantation				Photo b : Après décantation

Figure 26: Illustration des résultats de coagulation avant et après décantation

Pour la turbidité, elle a eu une diminution en augmentant la dose en boue (Fig.27).

La conductivité est diminuée avec l'augmentation de la dose en boue, dans un écart de 0,33 mS/cm (Fig.28).

Nous concluons, d'après cet essai qu'en augmentant la dose en boue la turbidité diminue ainsi que la conductivité, donc on va essayer dans l'essai qui suit, de conserver la dose en boue où on a la turbidité minimale et on va ajouter avec elle des différentes dose en sulfate d'alumine.

On fixe la masse en boue à 0,277 g/l et on varie la concentration en sulfate d'alumine (7,2g/L) :

· 1-Coagulation décantation après 20 min d'agitation et 20 min de décantation (même conditions de départ).

· 2-Le surnageant qui va avoir la 2^ème coagulation avec le sulfate d'alumine avec les mêmes conditions de temps et d'agitation.

Tableau 9: Essais de coagulation avec différentes concentrations de Al₂(SO₄)₃ sur les eaux usées

Concentration en Al₂(SO₄)₃ (g/l)	0,220	0,428		0,658	0,878	1,097	1,317
Turbidité(FTU)	56	44		26	26	18	12
pH	7,79	7,51		7,23	6,99	6,87	6,72
Conductivité (mS/cm)	7,57	7,56		7,38	7,27	7,17	7,07

Photo a : Coagulation avant décantation			Photo b : Après décantation

Figure 30: Illustration des résultats de coagulation avant et après décantation

Le pH varie, avec une diminution remarquable et un passage vers l'acidité (Fig.33).

Pour la turbidité, elle marque une diminution remarquable avec une réduction de 98 % de la matière en suspension (Fig.31).

La conductivité reste variable, avec une diminution et d'un écart de 0,5 mS/cm entre échantillons (Fig.32).

- Bécher à droite: contient même boue mais après un pré traitement des eaux usées.

7-CONCLUSION GÉNÉRALE

La boue issue de station de potabilisation a donnée une efficacité remarquable pour un pré traitement des eaux usées domestiques car elle a pu réduire les MES à environ 98 % en présence de sulfate d'alumine, et des résultats un peu moindre pour le pré traitement des eaux pluviales, car dans ces dernières, l'utilisation des doses en sulfate d'alumine inférieure à la dose optimale ont montré des résultats indiquant qu'il est nécessaire d'augmenter la dose en coagulant. Donc on est obligé de dépasser la dose optimale en sulfate d'alumine dans ce traitement. D'où on est besoin de suivre d'autre paramètre espérant l'amélioration de ces résultats.

Aux cours des essais faites sur les eaux pluviales et les eaux usées domestiques, nous avons conclus qu'on peut utiliser les boues issues de station de potabilisation pour traiter les rejets domestiques, et aussi valoriser le résidu qu'on va obtenir après le traitement pour une réutilisation dans des différents domaines, on peut citer:

On peut aussi sécher cette boue, l'aérée, pour avoir une dégradation de la matière organique, afin d'augmenter l'habilité de ces boues à bien capter les MES, et donc améliorer la qualité du traitement de ces eaux et leur utilisation dans des différents domaines.

Etude de la filière des boues dans une station de traitement d'eau potable

ETUDE DE LA FILIÈRE DES BOUES DANS UNE STATION DE TRAITEMENT D'EAU POTABLE

RÉCUPÉRATION ET VALORISATION DES BOUES ÉPAISSIES

INTRODUCTION