centrifugeuses haute pression

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Ce sont celles maintenant les plus utilisées en traitement des boues. L’intérêt principal est l’amélioration nette des siccités qui se situent maintenant entre les performances du filtre à bandes et celles du filtre- presse.

centrifugeuse HP GuinardImage sécurisée
Figure 35. La centrifugeuse HP (source Guinard)

paramètres permettant l’amélioration des siccités

Augmentation de la force centrifuge : des accélérations de 3 000 g (voire 3 500 g) sont maintenant utili­sées (renforcement des roulements des paliers).

Augmentation des volumes internes du bol : un grand volume de cake peut être stocké dans la machine ce qui assure des temps de centrifugation beaucoup plus longs (5-10 min).

Fonctionnement à couple très élevé : le couple d’entraînement traduit les efforts de friction sur la vis et dépend donc du degré de remplissage de la machine ainsi que des contraintes de trituration de la boue. Un couple élevé signifie donc qu’un maximum de sédiment est stocké, en particulier dans la zone de cisaille­ment (figure 35 par rapport à la figure 30, cette dernière représentant une machine traditionnelle – basse pression). Le fonctionnement à couple élevé nécessite des réducteurs plus robustes et une régulation de la vitesse différentielle (VR) de la vis en fonction de la valeur du couple pour éviter le bourrage de la machine et assurer des siccités constantes.

Anneau liquide profond donc forte pression hydraulique radiale. Le niveau de l’anneau est ajusté selon la qualité des boues mais le diamètre intérieur de l’anneau liquide est inférieur au diamètre de sortie du cône de la machine (figure 30 état d’une centrifugeuse HP en démarrage où le centrat déborde avec le sédiment). Par contre, en fonctionnement stabilisé (2-3 min après la mise en boue), c’est le bouchon de sédiment dans le cône qui interdit au liquide d’être évacué par la sortie cake (figure 35).

Fort taux de compression dans la partie conique de la vis : certains fabricants aménagent même un disque de barrage en début de partie conique (figure 35).

L’objectif est double :

  • obliger la boue à passer dans un espace restreint calibré ce qui bien sûr augmente les contraintes de cisaillement pour libérer un maximum d’eau ;
  • triturer le sédiment pour aider également au relargage d’eau.

Dosage plus élevé de polymère : l’augmentation des siccités ne peut être obtenue que par un surdosage de polymère, environ 70 à 100 % de plus par rapport au filtre à bandes, au filtre-presse ou aux anciennes centrifugeuses basse pression.

centrifugeuse HP anneau liquide profondImage sécurisée
Figure 36. Centrifugeuse HP : anneau liquide profond

variables opérationnelles

Vitesse du bol VA : il est raisonnable de fonctionner à 85-90 % de la vitesse maximale de la machine.

Vitesse différentielle VR: c’est en fait la consigne de couple qui va fixer cette VR. L’objectif est de rester à une valeur de couple constante en jouant sur la vitesse de convoyage. Si le couple a tendance à monter, la VR accélérera pour désengorger un peu la machine et vice-versa. Les valeurs usuelles de VR sont de l’ordre de 1 à 5 t · min–1.

Profondeur de l’anneau liquide : ajustable par réglage des déversoirs au niveau des ouies d’évacuation du centrat. Certains fabricants proposent des systèmes de réglage du niveau liquide dans la machine quand celle-ci est en fonctionnement.

Débit de boue : un certain gain de siccité peut être obtenu en baissant le débit nominal de la machine.

Choix du polymère : sur beaucoup de boues, des siccités supérieures (1 ou 2 points) peuvent être obte­nues par l’utilisation de polymère réticulé en émulsion.

Débit de polymère : peut être réglé au plus juste en régulant le flux massique entrée centrifugeuse (à con­dition de choisir un capteur efficace de mesure de concentration des boues).

Le débit de polymère peut être également régulé sur la turbidité du centrat mais la fiabilité d’un tel procédé reste assez problématique (présence de mousse, présence de MES floculées…).

Température des boues : il est possible de gagner de 1 à 3 points de siccité en chauffant les boues vers 60 °C-65 °C. Il faut noter qu’à ces températures les centrats sont plus chargés en pollutions carbonées dis­soutes.

performances

Les tests de floculation (avec fort cisaillement) permettent de sélectionner les polymères donnant les flocs les plus résistants. Les tests de centrifugabilité (voir approche de la siccité d'une centrifugeuse industrielle) permettent d’estimer les siccités et les volumes de sédiment et nous donnent une idée approchée des débits massiques admissibles.

La meilleure évaluation du bon fonctionnement d’une centrifugeuse reste le calcul du rendement d’extrac­tion ou taux de capture Tc (en %).

Formule : test de centrifugabilité - rendement d'extraction, taux de capture

Avec :

CL = concentration du liquide clarifié ou centrat (en % MES)
CS = siccité du sédiment (en % MS)
CA = concentration de la boue à l’entrée de la machine, en tenant compte de l’apport de polymère et de sa dilution (en % MES).

Un taux de capture doit être supérieur à 95 % pour la majorité des boues (voire 97-98 % si les boues sont concentrées : > 50 g · L–1) soit des centrats entre 0,5 et 1,5 g MES · L–1.

Le rendement d’extraction peut également se calculer comme suit :

Formule : test de centrifugabilité - rendement d'extraction avec débit massique

Avec :
QA = débit massique entrée machine
QS = débit massique sédiment

mais cela suppose la mesure des débits de boues en entrée machine ainsi que la pesée du cake sortie machine, ce n’est donc pas une mesurée aisée.

Comme déjà vu, les capacités hydrauliques des machines sont corrélées au diamètre du bol mais aussi à la longueur de la partie cylindrique, ce que traduit le tableau 17 :

centrifugeuse diamètre bolImage sécurisée
Tableau 17. Diamaètre du bol

Le débit hydraulique dépend bien entendu de la concentration et de la nature des boues à l’entrée de la centrifugeuse d’où les larges fourchettes du tableau.

Pour des boues d’eaux résiduaires urbaines, les performances suivantes sont souvent rencontrées (tableau 18) :

centrifugeuses boues ERUImage sécurisée
Tableau 18. Performances des centrifugeuses sur les boues ERU

cas de la centrifugation directe

Il est possible de faire en une seule étape l’épaississement et la déshydratation et donc de déshydrater des boues diluées. L’application principale concerne les boues d’aération prolongée mais il est également possible de déshydrater des boues à 10‑15 g · L–1 : par exemple des boues sortant d’un décanteur lamellaire statique ou des mélanges de boues (boue primaire épaissie et boue biologique non épaissie). L’avantage premier est l’économie d’investissement de l’épaississement (partiellement compensée par la taille supé­rieure des centrifugeuses) et l’éventuel gain des polymères nécessaires sur certains appareils d’épaississe­ment dynamique.

En revanche, une précaution essentielle est à prendre : assurer une concentrationrelativement stable (± 1 g · L–1) à l’entrée de la décanteuse ce qui suppose, dans beaucoup de cas, un bac conséquent d’homogé­néisation avant la déshydratation. En effet, lorsque l’on soutire directement les boues biologiques de la fosse de recyclage d’un décanteur secondaire, les concentrations peuvent varier de 6 à 15 g · L–1 selon le régime hydraulique de la station, ce qui amène des dysfonctionnements de la déshydratation. Dans les gran­des stations d’épuration, les concentrations de soutirage sont plus stables, ce bac de mélange peut être évité et remplacé par une régulation du flux massique à l’entrée de la centrifugeuse.

Les siccités obtenues sont du même ordre que celles atteintes en déshydratation classique sur boues pré- épaissies (par exemple 20 % environ avec des boues d’aération prolongée) ; en revanche, il faut travailler avec une qualité de centrat exceptionnelle (centrat à 0,2-0,3 g MES · L–1) si l’on veut garder un bon taux de capture malgré la faible concentration à l’entrée de la machine. De ce fait les dosages de polymères (émul­sion très recommandée) sont légèrement plus élevés (11-12 kg MA · t–1MS pour une boue d’aération pro­longée).

En centrifugation directe, le dimensionnement de la centrifugeuse est fait sur un débit hydraulique maxi­mal car le débit massique n’est plus dans ce cas le facteur limitant (par exemple, sur des boues d’aération prolongée titrant 7-9 g MES · L–1, une décanteuse Ø 500-550, version longue, pourra accepter des débits de l’ordre de 55-65 m3 · h–1.

Les consommations énergétiques ramenées au tonnage de boues déshydratées sont cependant plus éle­vées car les machines ne fonctionnent pas au maximum de leur potentiel en débit massique : selon les con­centrations entrée machine, nous observons des consommations de 120 à 200 kWh · t–1MES contre 60 à 80 sur les mêmes boues pré-épaissies.