Un système centrifuge réduit la main-d'œuvre et améliore la qualité des boues

Pour une installation de traitement des eaux usées qui dessert cinq grandes unités chimiques en Virginie-Occidentale, les boues peuvent varier quotidiennement. Cela crée des défis difficiles à relever pour assurer une homogénéité des boues. Après avoir utilisé des filtres presses pendant des décennies, l’usine de traitement des eaux usées de Solvay est passée à un système de centrifugeuse Flottweg qui a réduit le temps de production de 24h/24, 7j/7, à une seule équipe de 12 heures par jour. Le système a également amélioré la qualité des boues, réduit les coûts, réduit les volume mis en décharge. Il a fourni à l’entreprise un équipement efficace, automatisé, convivial et a permi des économies annuelles nettes d’environ 214 000 USD.

Le défi

Les eaux usées issues des usines chimiques contiennent très peu de fibres, ce qui rend difficile la déshydratation des boues.

« Notre site produit de nombreux lots différents, qui changent d'un jour à l'autre et tous les mois », déclarait Brian Smith, responsable de la maintenance et du traitement des eaux usées. « Cela rend difficile la préservation d’une biomasse saine. La biomasse change constamment. Il existe de nombreuses familles alimentaires. Les aliments peuvent varier très rapidement, ce qui rend très difficile le développement d’une boue homogène. Chaque matin, lorsque nous démarrons la centrifugeuse, nous ne pouvons jamais prévoir le résultat. Il est différent chaque jour. »

Il s’agit d’un défi commun pour les usines de traitement lorsqu’il y a des intrants de différentes origines et très peu, voire pas du tout, d’égalisation. Les rejets de l’usine arrivent à l'unité de traitement dans un délai d'une heure, alors que Smith précise que son installation ne possède pas de grands bassins d’égalisation.

Pour produire une boue homogène, il faut des rejets homogènes. « Si tout le monde envoyait des déchets homogènes, les 'bestioles' s'y habitueraient », indique Smith. « Le nombre de 'bestioles' augmenterait et se stabiliserait. Mais lorsque vous changez constamment le pH et la composition chimique, vous avez des bactéries qui meurent et d’autres dont la population augmente. Ce type de boue est extrêmement difficile à déshydrater. »

Solvay utilisait auparavant deux filtres presse mais ils ne pouvaient pas toujours gérer la capacité. Smith a été obligé de louer un filtre presse supplémentaire tous les ans durant six mois, en les faisant tous fonctionner 24h/24 et 7j/7. Cela a également nécessité l'embauche d'un opérateur supplémentaire.

« Cette situation a mis un énorme pression sur notre équipe », a déclaré Smith. « Nous avions des opérateurs qui ne s'occupaient plus que des presses. Nos boues sont tellement difficiles que nous avons dû ajouter une tonne de cendres pour chaque tonne de boue produite. Le tonnage que nous avons dû envoyer en décharge a du coup augmenté. C’était un matériau très sec. Nous pouvions avoisiner les 50 % de matières sèche, mais lorsque vous tenez compte du fait que vous ajoutez une grande quantité de cendres, cela représente une grande partie des solides. »

Les filtres presse ont été installées à la fin des années 1980. Durant cette période, l’entreprise a utilisé un incinérateur de déchets dangereux. Dans les années 1990, l’usine a stoppé l’incinérateur et a apporté de nombreuses modifications aux processus de fabrication. 

« Nous ne pouvions pas désydrater les boues suffisamment rapidement, si bien que nous avons quasiment arrêter le traitement des déchets.  En conséquence, toutes les boues retournaient vers la station de traitement d'eaux usées, ce qui nous posait des problèmes », déclare Smith. « Tous les six mois environ, nous étions obligés de louer une presse qui nous permettait de réduire les quantités de boues." Cela a rajouté un cycle supplémentaire sur la station de traitement des eaux usées. Ainsi, non seulement les quantités de rejets variaient, mais nous devions maintenant traiter la quantité de biomasse dans la STEP. Nous n'avions aucune stabilité dans nos résultats. »

Lorsque le taux de solides augmente dans une usine de traitement des eaux usées, les coûts augmentent également. Smith indique que du polymère avait dû être ajouté dans son installation pour que la boue se dépose dans le clarificateur secondaire. Pour éviter que les solides ne partent à la rivière, ils utilisaient davantage de polymère pour épaissir, ce qui se révélait une opération coûteuse.

La solution

Smith et son équipe ont commencé à rechercher différentes technologies, y compris des filtres à tamis rotatifs, mais le produit issu de ces machines n’était pas satisfaisant. La société a loué un système centrifuge, mais le fournisseur n’a pas été en mesure de fournir un service efficace lorsque cet équipement est tombé en panne. Smith était de retour à la case départ.

A l'hiver 2017, Smith s’est rapproché de Flottweg Separation Technology et a travaillé sur un contrat de location d’équipement de centrifuge avec engagement de service.

« À l’origine, l’unité pilote était équipée d’une vis covoyeuse de solides standard, qui a ensuite été remplacée par une vis à corps ajouré», explique Smith. « Nous avons constaté une nette amélioration. L’unité pilote nous donnait une siccité de 19 % à 20 %. L'utilisation était simple. Vous n'aviez qu'à appuyer sur le bouton 'marche' et la production commencait immédiatement. D’avril à août, nous avons commencé à utiliser la vis ajourée et cela a été un changement radical. Le produit était floconneux et il était beaucoup plus facile de garder un centrât propre. La siccité était d’au moins 21 %. Ces 1 % ou 2 % modifient physiquement l’aspect et le comportement de la boue. L’eau était mieux séparée et cela n’avait pas du tout l’air humide. »

Dès le début, Flottweg a proposé à Solvay une location longue durée et a été en mesure d’installer la nouvelle conception de vis une fois celle-ci disponible.

« Aujourd’hui, ce n'est presque plus un problème », a déclaré Smith. « Nous l’avons installée et nous n’avons jamais eu de problème. Elle a été installée en moins de 8 heures. Elle s'est parfaitement positionnée dans le même châssis. La siccité des solides est améliorée de 1 à 1,5 %. Les opérateurs n’ont absolument aucun problème. Étant donné que nos boues sont très différentes, nous nous contentons de paramètrer la quantité de polymère que nous y ajoutons et, ensuite, nous faisons fonctionner l'alimentation en boues aussi fort que possible jusqu’à ce que le centrat soit trouble. Ensuite, nous ralentissons un peu. »

Au cours de la journée, Smith a déclaré qu’il commencera à le faire fonctionner à environ 50 gal (environ 227 litres) par minute (gpm), et à mesure que l’épaississeur tire la boue vers le bas, ce qui a pour effet de fluidifier la boue dans le processus, il l’augmentera de 10 gpm supplémentaires. 

« Par exemple, nous fixons le gaspillage de boue à 35 gal (132 litres) par minute. Elle coule toute la journée, se déversant dans l’épaississeur et l’épaississeur concentre », explique Smith. « Ainsi, lorsque les gars arrivent le matin, ils peuvent avoir 10 pieds (environ 3 mètres) de matière dans l’épaississeur. Ils démarrent la centrifugeuse et la laissent tourner de 8 à 12 heures. Ils l’éteignent ensuite pour la nuit. Le lendemain matin, il y a encore 6, 8 ou 10 pieds. Il n’est pas rare d’apporter des modifications parce que vous utilisez l’épaississeur par batchs. Au démarrage le matin, il peut y avoir 3 % de matières solides. En fin de journée, le taux de solides peut être entre 1 % et 1,5 %. »

Le décanteur centrifuge Flottweg est installé dans un conteneur

Comment fonctionne la machine ?

Selon la taille de la station de traitement d'eau usées, il peut y avoir une multitude de procédés utilisés. Bien que Solvay n’utilise que des centrifugeuses pour la déshydratation, l’épaississement est également possible avec des décanteurs centrifuges.

La plupart des usines de traitement d'eaux usées disposent d’un système d’épaississement. Cela signifie que les boues exédentaires issues du traitement biologique et contenant entre 5 et 10 g/l de matière séche sont concentrées entre 5 % et 8 %, avant d’être pompé vers le digesteur. Le volume de boues est réduit de 90 % à 95 % au cours de ce processus. Solvay utilise actuellement des clarificateurs de décantation, mais pourrait également utiliser une centrifugeuse pour effectuer cette étape, qui est ensuite suivie d’un processus de déshydratation.

Que les solides soient transportés après la déshydratation, réutilisés comme engrais, jetés en décharge ou incinérés, la recherche d'une siccité maximale est un facteur clef. Les autres facteurs clés sont la consommation de polymères, d’énergie, d'eau, ainsi qu’un fonctionnement continu et automatique à moindre coût.

Un décanteur centrifuge peut être considéré comme un bassin de décantation enveloppé autour d’un axe. Dans le bassin de décantation, des particules solides, plus denses que le liquide, se déposent au fond entraînées par la gravité et forment une couche de sédiments au fond du bassin. Dans le bol rotatif de la centrifugeuse, les particules solides, plus denses que le liquide, se déplacent vers le diamètre intérieur du bol, entraînées par la force centrifuge, et forment une couche de sédiments circulaire sur la surface intérieure du bol de la centrifugeuse. Dans la mesure où la force centrifuge dans le décanteur est d’environ 3 000 x g, au lieu de 1 x g dans le bassin de décantation, la séparation des particules solides et d'un liquide devient plus rapide et plus efficace.

Le bol d’un décanteur centrifuge a une forme cylindrique et conique. Il tourne à une vitesse élevée, créant la force centrifuge nécessaire pour la séparation. À l’intérieur du bol se trouve une vis convoyeurse pour l’évacuation continue des sédiments, qui sont accumulés sur la surface intérieure du bol. La vis convyeuse tourne à une vitesse relative lente par rapport au bol. Cette vitesse différentielle est optimisée par un réducteur situé à l’extrémité du bol. La boue à séparer pénètre dans le bol via une canne d’alimentation fixe. En sortie de la canne d’alimentation, le mélange pénètre dans la zone de séparation au travers d'ouies dans le corps de la vis. Dans la zone de séparation, la boue se sépare en une couche de sédiments et un anneau liquide. Les sédiments sont raclés sur la paroi du bol à l'aide de la vis convoyeuse et évacués vers l’extrémité conique de la machine avant d'être éjectées au travers des orifices de décharge. Le liquide séparé s’écoule vers l’extrémité cylindrique de la cuve où il est évacué par gravité via un déversoir.

Ces caractéristiques de conception essentielles ont été prises en compte depuis le début des années 1970. Aujourd’hui, le résultat de ce développement continu a donné naissance à la gamme de décanteurs Flottweg HTS pour la déshydratation des boues, qui comprend des équipements pour traiter des capacités entre 40 et 800 gpm (150 à 3000 l/min)

Le décanteur centrifuge a permis à la station de traitement des eaux usées de Solvay de réduire les déchets mis en décharge

Résultats :

Le système de centrifugation a permis à la STEP Solvay de réduire la main d'oeuvre, de réduire le temps de fonctionnement et les tonnes de matériaux enfouis, d'augmenter la consistance des boues et de réduire la consommation d'énergie.

« Notre unité est actuellement une location, mais nous espérons un jour l'acquérir », a déclaré Smith. « Je rappelle aux gars que c’est une location, mais ils me tueraient si je leur enlevais. Ils me mettraient à la porte. Ils ne pourraient jamais revenir à l’ancienne technologie après avoir utilisé la centrifugeuse Flottweg. Cette technologie a fait ses preuves depuis au moins 15 ans et nous sommes tout simplement heureux de la découvrir. »

Le système a permis à Solvay de réduire le temps de fonctionnement de 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, avec des opérateurs dédiés à temps plein, à une seule équipe de 12 heures par jour. Selon Smith, les filtres presses nécessitaient beaucoup de travail physique, à savoir le grattage et le déplacement des plaques. Cela entraînait des douleurs aux épaules et des contraintes au niveau du haut du corps. La centrifugeuse a réduit le besoin en main-d'œuvre et les risques de blessures pour les opérateurs.

« C’était agréable de réduire ces longues heures », a-t-il déclaré. « Nous avons réaffecté la main d'oeuvre vers d’autres entités de l’usine de traitement des eaux usées, améliorant ainsi notre travail et la qualité des effluents. Une fois que nous avions pris l'habitude, cela a été très facile. Solvay et Willow Island est un site à potentiel. Nous voulons nous développer. Avant, nous craignions que l’usine de traitement des eaux ne puisse gérer une charge supplémentaire. Désormais, ce n'est plus un problème. La centrifugeuse et le fait que nous contrôlions désormais la station de traitement des eaux usées confirment simplement que ce site est ouvert à la croissance. »

L’usine n’a plus besoin d’ajouter des cendres à la centrifugeuse, ce qui réduit le coût de cendres , les frais de transport et les frais de mise en décharge. Au bout du compte, l’usine a pu vérifier un retour sur investissement en quelques mois. Dés la première année de fonctionnement, le système a prouvé sa valeur en économisant à Solvay plus de 214 000 USD par an. Ce chiffre comprend les coûts liés aux cendres, au transport des cendres, au transport vers les décharges, à l’élimination, aux polymères, à la location, à la main-d'œuvre, aux boîtes roll-off, aux camions roll-off, à l'entretien et aux dépenses électriques.

« Le principal avantage est que je peux contrôler l’usine de traitement », a déclaré Smith. « Nous ne permettons pas à ces solides d’atteindre des niveaux très élevés. Nous les réglons là où is doivent être. Mes coûts liés aux polymères ont vraiment diminué. Notre opérateur n’a besoin que de démarrer la centrifugeuse le matin avec quelques réglages mineurs, et de déplacer la benne. »

À propos de l’auteur

Daniel Lakovic

Daniel Lakovic est responsable du développement commercial de Flottweg Separation Technology.