Origine de la boue résiduaire urbaine utilisée

Prélèvement des boues

δa boue utilisée dans ces travaux est issue de la station d’épuration (STEP) d’Albi-Madeleine (mise en service en juillet 2010). δa STEP d’Albi-εadeleine reçoit l’ensemble des eaux usées de 8 communes, y compris les matières de vidange, les graisses et les produits de curage. Les filières sont dimensionnées pour un débit de pointe hydraulique de 1800 m3 /h. Les effluents subissent tout d’abord un prétraitement : le dégrillage, le dessablage et le dégraissage. δ’effluent prétraité entre ensuite dans les bassins d’aération prolongée pour un traitement biologique. Un traitement tertiaire physico-chimique permet ensuite d’éliminer le phosphore et l’azote. δa clarification permet de séparer l’eau traitée de la biomasse, appelée «boues activées». δ’eau épurée rejoint le Tarn, une partie de la boue décantée est réinjectée dans le bassin d’aération pour maintenir la population bactérienne nécessaire au traitement, et la partie en excès est extraite et dirigée vers la filière de traitement des boues. Les boues issues du bassin de clarification sont floculées (à l’aide d’un polymère) puis envoyées sur les tables d’égouttage, où la siccité augmente de 0,6 à 6 %. Ensuite, les boues sont dirigées vers le méthaniseur où elles sont codigérées avec les graisses en condition mésophile. La matière organique est dégradée à une température de 37-38°C en l’absence d’oxygène. δa digestion permet de réduire la teneur en matières organiques est réduite de l’ordre de 30 % et génère la production de biogaz (majoritairement du méthane), qui sert principalement au maintien en température du digesteur. Les boues digérées sont ensuite à nouveau floculées (avec un second agent floculant) puis centrifugées. Les boues sont prélevées en sortie de la centrifugeuse (Figure 1). Leur siccité est d’environ 20 % et leur teneur en matières organiques de 63 %.δa siccité est déterminée par séchage en étuve à 105°C d’une masse de boue humide m୲ (masse totale) jusqu’à l’obtention d’une masse constante mୱ (masse de la phase solide), conformément à la norme NF EN 12880. La siccité est égale au rapport entre la masse de la phase solide mୱ et la masse totale m୲ : Si = ୫౩ ୫౪ ∙ ͳͲͲ Équation 1 La teneur en matières organiques MO est déterminée à partir d’un test de perte au feu. δa masse en matières minérales mହହ଴ est obtenue en plaçant une masse en matières sèches mୱ dans un four à 550°C pendant 2 h. mହହ଴ est la masse restante, pesée après refroidissement. 

Préparations des boues

Dans le cadre de cette étude, nous nous sommes intéressés aux effets de la siccité et de la température sur les propriétés des boues étudiées. Pour étudier l’influence de ces paramètres, différents pré-traitements ont dû être appliqués aux boues. En particulier, pour disposer d’une plus large gamme de siccité, il a été décidé de mettre en œuvre des étapes de dilution ou de concentration. Dans cette partie, nous allons donc décrire les différents dispositifs et protocoles utilisés afin de préparer les échantillons de boues qui seront ensuite caractérisés. 

Boues concentrées 

Une série d’échantillons de boues est préparée par centrifugation (Avanti J 30 i, Beckman Coulter, Indianapolis USA) au laboratoire (Figure 2). La vitesse maximale de rotation est de 30000 tr/min, ce qui correspond à une accélération de 110500 g. La capacité maximale de traitement peut atteindre 400 ml (soit 8 tubes de 50 ml). Le système de réfrigération permet de maintenir la température de la boue à une valeur imposée constante à 20°C. Les boues sont centrifugées pendant différentes durées (de 0 à 30 h) à la vitesse maximale de rotation à température ambiante, pour couvrir une plage de siccité allant de 20 à 44,2 % Pour certains essais, notamment ceux visant à contrôler l’évaporation, de plus grandes quantités de boues étaient nécessaires.Une cellule de compression d’une capacité d’un kilogramme de boue environ, a alors été utilisée (Figure 3). Cette cellule est insérée dans une presse hydraulique (Carver USA), permettant d’appliquer sur l’échantillon une pression maximale de 50 bars. Les boues sont filtrées pendant 48 et 72 h, à une pression de 30 bars. La température du laboratoire, et donc de la boue, est maintenue à 20°C. La centrifugation et la compression sont des techniques de déshydratation mécanique, qui permettent d’obtenir des boues pâteuses de plus en plus concentrées, mais elles ne permettent pas d’atteindre des siccités supérieures à la limite de plasticité (environ 43 % pour nos échantillons selon la limite d’Atterberg). Donc, afin d’obtenir une boue déshydratée à consistance granulaire (Figure 4), une masse de la boue centrifugée est étalée sur la paillasse du laboratoire et laissée sécher à température ambiante pendant 4 à 8 h. La boue déshydratée est ensuite homogénéisée à la main. 

Boues diluées

Une série de boues à faibles siccités est également préparée à partir de la boue initiale par addition d’eau déminéralisée. Pour ce faire, des échantillons de 50 g de la boue initiale sont introduits dans des flacons de 100 ml. δa quantité d’eau déminéralisée à ajouter pour obtenir une siccité finale donnée est calculée à partir d’un simple bilan de matière. δes échantillons obtenus sont ensuite doucement malaxés à l’aide d’une spatule afin d’obtenir un mélange homogène. Les boues préparées par concentration et dilution sont stockées à 4°C pendant au moins 10 h pour assurer la reproductibilité des mesures. Moyennant ces pré-traitements, l’impact de la concentration peut être étudiée sur une large plage de siccité, allant de 2 à 48 %, afin d’identifier la transition entre les régimes visqueux et frictionnel et donc de mieux comprendre le comportement des boues lors du processus de séchage. 

Boues traitées thermiquement

Plusieurs auteurs ont montré que la solubilisation de la matière organique (de la phase solide à la phase liquide) à haute température modifiait de manière irréversible la structure de la boue et donc sa rhéologie [1–4]. La durée et la température du traitement thermique sont les facteurs dominants qui influencent le phénomène de la solubilisation et donc la valeur des paramètres rhéologiques. La solubilisation de la matière organique se stabilise en 30 à 60 minutes à des températures supérieures à 100°C [5,6] mais un traitement de quelques heures à quelques jours est nécessaire à des températures inférieures à 100°C [6–8]. Pour des échantillons de boues résiduaires déshydratées ayant des siccités allant de 14 à 18 % et des teneurs en matière organique entre 54 et 70 % (de matières sèches), Zhang et al. [6] et Xue et al. [8] ont montré que la solubilisation de la matière organique augmente en fonction du temps mais tend vers un état stable après 24 h de traitement thermique pour des températures comprise entre 60 et 90°C. Comme nous le montrons plus tard, les mesures à hautes températures seront limitées à 80°C. Ainsi, pour éviter le problème de solubilisation de la matière organique lors des tests rhéologiques à hautes températures, les échantillons sont prétraités thermiquement à 90°C pendant au moins 24 h avant les mesures. Donc, ces conditions pourraient permetre d’éviter/réduire l’impact due à la solubilisation de la température pendant les mesures rhéologiques à des températures inférieures à 80°C. Le protocole est le suivant : Une masse de 400 g de boue est introduite dans une boite en verre étanche. La boite est ensuite mise dans une étuve à 90°C pendant 24 h. Les boues traitées thermiquement sont laissées refroidir à température ambiante pour assurer la reproductibilité des mesures. δe traitement thermique est mis en œuvre uniquement pour les essais en température réalisés avec les gâteaux de boues provenant de la cellule de filtration/compression. Les différentes siccités et teneurs en matières organique sont déterminées avant et après le traitement thermique pour vérifier que ce traitement ne modifie pas ces deux paramètres.