Évaluation d’un nouveau concentrateur des boues et des matières flottantes par utilisation de la sédimentation et de la récupération mécanique adapté aux piscicultures

Rapport final

Ferme Piscicole des Bobines Inc
PIAAM 2011-Q02

1. Résumé

Un nouveau concept de concentrateur des boues piscicoles a été construit et testé à la Ferme Piscicole des Bobines située au sud-est de la province du Québec. Cette pisciculture utilise le principe de la recirculation des eaux d'élevage afin de réduire son besoin en eaux neuves et d'assurer une qualité optimale de l'eau d'élevage. La recirculation des eaux requiert l'utilisation de traitements mécaniques, principalement la filtration via des filtres à tambour, pour clarifier les eaux en récupérant en continu les fumiers largués par les poissons. Cependant, l'utilisation des filtres à tambour nécessite de grands volumes d'eau pour le nettoyage de leur membrane (eaux de lavage ou boues diluées). À la Ferme Piscicole des Bobines, tous les filtres de la pisciculture génèrent un volume d'eau de près de 400 mètres cube par jour qu'il est impossible d'accumuler en totalité dans un bassin d'accumulation. Il est en effet non économique d'aménager un bassin d'accumulation qui aurait un volume de contention permettant de recevoir la totalité des eaux durant une longue période, telle que la saison hivernale. Non traitées ou concentrées, ces boues diluées largueront à l'effluent une quantité importante de phosphore.

Un concentrateur utilisant le principe de la sédimentation des boues vers deux cônes de récupération et muni d'une raclette automatique des matières flottantes a été aménagé et testé à l'été 2012. Les boues concentrées dans les deux cônes étaient récupérées via l'aide d'un système électronique contrôlant les séquences de départ (soit les intervalles entre les purges) et le temps de purge de chacun des deux cônes (soit le temps de fonctionnement du pompage des boues). Le même système électronique permettait de spécifier les intervalles et la durée de fonctionnement d'une raclette permettant de récupérer les matières flottantes qui s'accumulaient à la surface du concentrateur, soit des boues hydrolysées ou entrainées par la remontée de gaz formés dans les deux cônes. En excluant les coûts pour le bâtiment et la main-d'œuvre, le coût de construction du concentrateur du projet a été d'environ 35 000 $.

Selon une séquence d'alimentation du concentrateur basée sur une charge superficielle de 2,1 à 2,5 m³/h/m² et cela à raison de 55 % du temps, le concentrateur a permis de réduire de 35 à 153 fois le volume des boues diluées en provenance des filtres à tambour tout en y concentrant respectivement de 73 % à 80 % et 79 % à 87 % du phosphore total (P) et des matières en suspension (MES) entrant dans celui-ci. Il a été analysé qu'il est important de réaliser les purges des cônes à intervalles réguliers et de s'assurer de bien ajuster la durée de celles-ci afin d'optimiser la récupération du phosphore dans le plus petit volume d'eau. Les observations ont aussi permis de déterminer que la durée des purges devrait être ajustée différemment durant la journée en raison d'une plus grande charge de boues arrivant au concentrateur au début et à la fin de la journnée.

2. Introduction et objectif

Les piscicultures, comme celle de la Ferme Piscicole des Bobines, qui utilisent un système en bassins artificiels avec réutilisation de l'eau sont munies d'équipements pour récupérer les fumiers largués par les poissons via la filtration mécanique et la sédimentation. Ces équipements de traitement sont requis afin de maintenir la meilleure qualité d'eau d'élevage et afin de réduire le rejet de phosphore à l'effluent. Dans un système conventionnel en réutilisation (ou recirculation) de l'eau, comme celui du présent projet, la récupération est réalisée principalement par des filtres à tambour et aussi via la purge de système de sédimentation installés sur les drains de fond des bassins d'élevage. L'utilisation de filtres à tambour induit cependant un volume élevé d'eau de lavage qui lorsqu'il est additionné aux purges des systèmes de sédimentation devient des boues diluées (soit les fumiers récupérés dilués dans plusieurs centaines de mètres cubes d'eau par jour, à de faibles concentrations de solides : < 0,1 %).

En raison de l'impossibilité de contenir toutes ces boues diluées dans des unités fermées telles que des bassins ou étangs d'accumulation, les travaux des dernières années ont porté à la fois sur la réduction de ces volumes de boues et à la fois sur la stabilisation du phosphore présent à l'effluent de ces unités d'accumulation. Pour les travaux en amont des unités d'accumulation, le but est de réduire les volumes des boues afin d'améliorer la capacité de rétention de ces dernières. En raison des grands volumes d'eau, seuls des traitements mécaniques par sédimentation ou filtration sont envisageables. Il a été estimé que l'utilisation de traitements chimiques de ces boues diluées n'est pas applicable aux piscicultures. Cela exigerait une main- d'œuvre exclusivement dédiée à ce traitement qui exige beaucoup d'entretien et de surveillance et les coûts en produits chimiques et en infrastructure sont relativement élevés. Pour les travaux en aval de ces unités d'accumulation, ils ont porté sur le traitement chimique du phosphore qui se trouve dans l'effluent de ces derniers. En effet, en raison du temps de séjour de ces boues dans le bassin, l'effluent de ce dernier contient peu de particules, mais une quantité importante de phosphore sous forme dissoute. Cependant, le traitement des grands volumes d'eau demeure toujours un défi.

Sharrer et al. (2008) présentent les principales méthodes utilisées en pisciculture pour les systèmes de traitement utilisés en amont du bassin d'accumulation : bassin et cônes de sédimentation, concentrateurs, filtres et sacs en géotextile. Marcotte (2010) a testé un filtre à courroie relativement dispendieux et utilisant un jet d'air afin de concentrer ces boues. Le filtre utilisé a permis de réduire le volume des boues dans un ratio de l'ordre de 68 à 96 fois tout en retenant 70 % du phosphore. De par leur configuration, les sacs de géotextile ont une efficacité de récupération du phosphore total de moins de 40 % sans utilisation d'aide coagulant (Ebeling et al., 2005). Le Ministère de l'agriculture, des pêcheries et de l'alimentation du Québec (MAPAQ) et le Ministère du développement durable, de l'environnement, de la faune et des parcs (MDDEFP) (2008) ont testé des systèmes de concentration utilisant la sédimentation afin de diminuer le volume de fumiers à accumuler. Ces essais ont démontré la difficulté de gérer la présence de matières flottantes à la surface des concentrateurs et la difficulté de récupérer efficacement les boues concentrées dans de faibles volumes d'eau. Dans les piscicultures utilisant des filtres à tambour, il a en effet été observé une accumulation rapide et importante de ces matières flottantes à la surface des concentrateurs. Cela semble s'expliquer par une certaine hydrolyse des boues par les filtres à tambour combinée à une activité de dégradation des fumiers accumulés dans le fond du concentrateur. La gestion difficile de ces matières flottantes annulait automatiquement l'efficacité de récupération du phosphore par le concentrateur. Lorsque ces matières flottantes n'étaient pas récupérées, l'efficacité de récupération du phosphore total des concentrateurs passait d'environ 80 % à moins de 30 % (par rapport au phosphore présent dans les boues diluées à l'entrée du concentrateur).

Pour les systèmes de traitement en aval des unités d'accumulation, Ebling et al. (2005 et 2006) ont testé des polymères et des coagulants afin de faire précipiter et stabiliser le phosphore dissout. Marcotte (2007) a testé de la chaux hydratée et un coagulant (sulfate ferrique) pour fixer le phosphore sur l'effluent d'un bassin d'accumulation. Il s'avère que l'utilisation de la chaux permet de récupérer plus de 95 % du phosphore dissout, mais le traitement s'avère fastidieux à réaliser sur de grands volumes d'eau et sur des débits en continu. Ces traitements en continu exigent un effort trop important pour une pisciculture pour le temps exigé pour l'entretien et la surveillance.

L'objectif du projet est donc de construire et valider l'efficacité d'un nouveau type de concentrateur utilisé pour réduire le volume des boues diluées généré par une production piscicole. Soit de déterminer le ratio optimal de concentration de ces boues diluées et déterminer l'efficacité de récupération du phosphore total et des solides dans les boues concentrées, et cela en gérant automatiquement la récupération des matières flottantes qui se forment à la surface de ce type de système. La concentration des boues est requise afin d'améliorer le rendement environnemental des stations piscicoles, principalement celles utilisant la recirculation de l'eau.

3. Méthodologie

3.1. Aménagement du concentrateur dans la pisciculture

Le système de la Ferme Piscicole des Bobines a une capacité de production annuelle de 210 tonnes de truites arc-en-ciel et est exclusivement alimentée en eau neuve via de l'eau souterraine. Le nouveau concentrateur a été installé afin de recevoir la totalité des boues diluées récupérées par le système de traitement utilisé dans la pisciculture. Ce système est constitué de cinq filtres à tambour et d'un système de purge des drains de fond des bassins d'élevage. Quatre filtres sont utilisés pour filtrer l'eau sortant des bassins d'élevage et le cinquième est utilisé pour filtrer l'effluent de la pisciculture. Un système de purge permet de récupérer plusieurs fois par jour les fumiers sédimentés dans les drains de fond des bassins. Toutes les eaux de lavage des filtres sont acheminées à gravité vers un puits de relevage. Ce puits étant situé sous la surface du sol, deux pompes centrifuges tournant à une vitesse de 3 600 RPM sont requises pour transférer les boues diluées à l'entrée du concentrateur. En fonction du volume de boues diluées, du volume de contention du puits de relevage et du débit des pompes de transfert, ces deux pompes sont opérées en alternance et en continu selon une séquence prédéfinie : la pompe de transfert #1 fonctionne durant environ six minutes et est suivie d'un temps d'arrêt d'environ cinq minutes avant que la deuxième pompe de transfert démarre et fonctionne elle aussi durant environ un autre six minutes. La séquence redémarre par la suite, soit le départ de la pompe de transfert #1, environ cinq minutes après l'arrêt de la pompe de transfert #2. Selon cette séquence, il y a présence d'un débit à l'entrée du concentrateur durant environ 55 % du temps.

3.2. Détails de construction du concentrateur

Le concentrateur est constitué de six éléments principaux :

1. Structure de concentrateur : les murs du concentrateur ont été fabriqués en béton afin que ces derniers soient verticaux. La surface disponible pour la sédimentation des boues, soit l'espace entre la goulotte et les déflecteurs est de 11,9 m². Le concentrateur a été aménagé dans un bâtiment fermé et isolé situé à proximité du bassin d'accumulation.

2. Deux cônes de sédimentation : les cônes sont en forme de pyramides inversées avec des parois à 60° et ont été fabriqués en fibre de verre et installés à même le plancher de béton du bâtiment. La surface interne des cônes a été recouverte d'une couche de gel afin de rendre celle-ci lisse dans le but de favoriser l'écoulement des boues vers la pointe de la pyramide.

3. Goulotte située dans la section amont du concentrateur : aménagée sur toute la largeur du concentrateur, la goulotte permet de briser la vitesse d'entrée des boues diluées en favorisant leur écoulement vers les cônes. Elle sert aussi de récepteur pour les matières flottantes récupérées par la raclette qui pousse à contre-courant ces dernières vers la goulotte. Afin d'assurer, un écoulement gravitaire de ces matières flottantes vers le bassin d'accumulation, la sortie de la tuyauterie des purges des cônes a été dirigée vers l'amont de la goulotte. Sans dilution avec les boues concentrées et de par leur aspect mousseux et collant, les matières flottantes colmateraient rapidement la goulotte. Afin d'assurer le meilleur ratio de concentration, il est requis de rendre étanche le pourtour de la goulotte afin d'éviter l'infiltration d'eau depuis le concentrateur.

4. Déflecteurs situés dans la section aval du concentrateur: le premier déflecteur permet de retenir les matières flottantes à la surface du concentrateur. Le deuxième déflecteur permet de maintenir le niveau d'eau et oblige la sortie de l'eau clarifiée par surverse.

5. Système pour réaliser la purge automatisée des cônes : un système de contrôle électronique a été utilisé pour ajuster de façon indépendante les séquences de fonctionnement de chacune des deux pompes utilisées pour purger les boues concentrées dans les deux cônes. Le système permet de spécifier la durée et le temps d'attente entre ces purges. Par exemple, une purge d'une minute suivie d'un temps d'attente d'une heure résulte en un intervalle de 61 minutes entre deux purges successives du même cône. Cet intervalle était repris en continu durant toute la journée.

6. Système de raclage des matières flottantes : une raclette entraînée par un système mécanique de chaîne a été installée afin de racler les matières flottantes présentes à la surface de la zone de sédimentation du concentrateur. Tout comme pour les purges des cônes, un système de contrôle électronique a été utilisé pour ajuster la durée et la fréquence de fonctionnement de la raclette. Il était aussi possible d'ajuster la vitesse d'avancement de la raclette.

3.3. Séances d'échantillonnage et opération du concentrateur

Les débits instantanés à l'entrée du concentrateur ont été mesurés en continu à l'aide d'un débitmètre électronique à effet doppler (Greyline modèle PDFM 5.0). Via une option permettant de totaliser le volume d'eau circulant par le débitmètre, ce dernier a aussi permis de comptabiliser le volume total journalier de boues diluées entrant dans le concentrateur. Les volumes de boues concentrées ont été déterminés par calcul en multipliant le temps réel de la durée des purges des cônes par les débits préalablement déterminés des deux pompes.

Les temps de fonctionnement et d'attente des pompes de purge étaient ajustés la journée précédant une séance d'échantillonnage. Lors d'essais préliminaires, il a été observé que le temps requis pour purger le cône #2 était généralement deux fois plus court que celui requis pour purger le cône #1. De par sa position, le cône #1 accumule la majorité des boues. Indépendamment du temps de purge des cônes, le système de raclage a été ajusté pour fonctionner sept minutes à toutes les trois heures avec une vitesse d'avancement de la raclette de 5,6 cm/s. Selon sa position de départ, la raclette effectuait de quatre à cinq balayages complets de la zone entière de sédimentation.

Les mesures d'efficacité du concentrateur ont a été réalisées en prélevant des échantillons d'eau ou de boues à trois endroits :

• Entrée du concentrateur (boues diluées) : une valve (Ø12mm) installée sur le tuyau d'entrée des boues (Ø100mm) permettait de prélever de façon manuelle les échantillons. De par la pression de l'eau causée par les pompes du puits de relevage, il a été considéré que l'échantillon soutiré par la valve était représentatif de l'ensemble de l'écoulement dans le tuyau. Lors de la prise d'un échantillon, environ un litre de boues diluées était prélevé par la valve à toutes les 20 secondes et cela durant toute la durée du cycle de pompage d'une des deux pompes de transfert. Considérant que le temps d'un cycle de pompage était d'environ 6 minutes, environ 18 litres de boues étaient accumulés dans un même récipient avant d'être homogénéisés. Un échantillon était par la suite prélevé et envoyé pour analyse dans un laboratoire accrédité.
• Sortie du concentrateur (eaux clarifiées) : idem que pour la mesure à l'entrée du concentrateur avec une valve installée sur le tuyau récupérant les eaux clarifiées. La pression d'eau dans le tuyau provenait cependant de la colonne d'eau dans la section aval du concentrateur.
• Purges des cônes (boues concentrées) : lors de la prise d'un échantillon, environ 0,5 litre de boues concentrées était normalement prélevé à la sortie du tuyau des purges à toutes les cinq à dix secondes et cela durant tout le cycle d'une purge. Tous ces prélèvements étaient par la suite homogénéisés afin d'y prélever un échantillon représentatif. Cet échantillon était par la suite envoyé pour analyse dans un laboratoire accrédité.

Les séances #1 et #2.1 ont été réalisées en effectuant des mesures sur une journée complète en échantillonnant, en plus de l'entrée et la sortie du concentrateur, le volume total de boues concentrées purgées des cônes. Les autres séances ont porté sur le prélèvement d'échantillons uniquement à l'entrée et à la sortie du concentrateur.

4. Résultats et analyse

4.1. Évaluation des coûts d'aménagement

En n'incluant pas les coûts pour le bâtiment et en considérant que les travaux ont été réalisés en majorité par le pisciculteur (donc pas de coût pour la main-d'œuvre considéré dans le total), la construction du concentrateur a requis un investissement d'environ 34 100 $, selon la répartition suivante :

• Environ 8 900 $ pour la structure.
• Environ 5 800 $ pour les cônes, la goulotte et les déflecteurs.
• Environ 11 000 $ pour le système de purge automatisé.
• Environ 8 400 $ pour le système de raclage.

4.2. Efficacité de récupération du phosphore total et des matières en suspension

Pour toutes les séances de mesure, les efficacités de récupération du phosphore total (P) et des matières en suspension (MES) ont été obtenues en comparant les charges de P et des MES mesurées dans les boues diluées et dans les eaux clarifiées. Suite à l'analyse des données des séances #1 et #2.1, il a été déterminé de ne pas utiliser les charges mesurées dans les boues concentrées. Compte tenu des variations importantes observées dans la concentration des boues entre le début et la fin des purges des deux cônes et les temps relativement courts de ces dernières, l'échantillonnage semble avoir occasionné une sous-estimation de la récupération des boues concentrées.

Les efficacités de récupération du P et des MES ont été respectivement de 73 % à 80 % et de 79 % à 87 %. La séance d'échantillonnage #2 a donné les meilleurs résultats. Par rapport à cette dernière séance, le fait de diminuer uniquement la durée des purges à la séance #3 a occasionné une diminution des efficacités de récupération. Ces efficacités ont cependant remonté lors des séances #4 et #5 en augmentant, soit la fréquence des purges ou soit la durée de pompage des boues concentrées. Pour la séance #1, le fait de réaliser seulement quatre purges dans la journée a donné une efficacité de récupération inférieure à celle de la séance #2.

Les mesures indiquent qu'il est préférable d'augmenter le nombre de purges par jour et d'ajuster la durée de ces purges. Le minimum recommandé serait de réaliser la purge des deux cônes à toutes les heures afin de limiter le temps disponible pour la solubilisation du phosphore. Pour la durée de pompage, l'objectif est de soutirer la totalité des boues concentrées tout en minimisant leur volume. Un temps de pompage trop court ne permet pas de soutirer la totalité des boues accumulées dans les cônes et permet au phosphore contenu dans ces boues résiduelles de se solubiliser.

Pour la séance #2.2, les échantillons ont été prélevés durant un cycle complet de 24 heures. Une augmentation de la charge de phosphore à l'entrée et à la sortie du concentrateur à été observée, et cela au début et à la fin de la journée. Les efficacités de récupération ont variés de la même façon durant la journée. Les variations dans les charges et dans les efficacités de récupération semblent reliées aux métabolismes des poissons. Lors des séances d'échantillonnage, ces derniers ont été alimentés à quatre reprises entre 7h30 et 17h30. Selon Eding (2005), les poissons produisent la majorité de leurs rejets ammoniacaux de 8 à 16 heures après leur alimentation. En estimant que le délai dans la production des rejets en phosphore et en MES est similaire à celui de l'ammoniaque, il s'avère intéressant de considérer la possibilité d'ajuster la durée des purges des cônes en fonction des périodes de la journée.

4.3. Ratio de concentration

En considérant les séances durant lesquelles les efficacités de récupération ont été optimales, le concentrateur a permis de réduire de 35 à 50 fois le volume des boues diluées. Cela démontre qu'il est possible d'obtenir la même efficacité de récupération du phosphore pour différents ratios de concentration à condition de purger plus longtemps ou plus souvent les cônes.

4.4. Efficacité du système de raclage des matières flottantes

Lors de la séance d'échantillonnage #2.2, il a été observé que la quantité de matières flottantes à la surface du concentrateur était proportionnelle à la charge de MES dans les boues diluées, donc maximale au début et en fin du jour. Lors de cette séance, il a été évalué que la charge journalière de phosphore total présente dans ces matières flottantes représentait environ 6 % de la charge journalière de phosphore total dans les boues diluées. Environ 200 litres de matières flottantes, contenant environ 1000 mg/l de phosphore total, ont été récupérés par le système de raclage. Chaque raclage complet de la surface totale du concentrateur a donc dirigé un volume d'environ cinq litres dans la goulotte. Il a aussi été observé que le fait d'augmenter l'intervalle entre les purges des cônes (séances #1 et #5) provoquait une augmentation du volume de ces matières flottantes. Indépendamment des séances d'échantillonnage, l'ajustement initial de la raclette, soit le raclage de quatre à cinq fois de la surface de sédimentation à toutes les trois heures, a toujours permis d'éliminer la totalité des matières flottantes.

5. Conclusion

Selon une séquence d'alimentation du concentrateur basée sur une charge superficielle de 2,1 à 2,5 m³/h/m² et cela à raison de 55 % du temps, l'opération optimale du concentrateur a permis de réduire de 35 à 50 fois le volume des boues diluées tout en y concentrant respectivement environ 76 % et 83 % du phosphore total et des matières en suspension. Il a été analysé qu'il est important de réaliser les purges des cônes à intervalles réguliers et de s'assurer de bien ajuster la durée de celles-ci afin d'optimiser la récupération du phosphore dans le plus petit volume d'eau. La purge des cônes à raison d'une fois à toutes les heures et cela en continu semble être le plus optimal. Mais les observations ont aussi permis de déterminer que la durée des purges devrait être ajustée différemment durant la journée en raison d'une plus grande charge de boues arrivant au concentrateur au début et en fin du jour. Le système actuel de contrôle des purges ne permet cependant pas un tel ajustement. Afin d'augmenter les efficacités de récupération tout en maintenant le meilleur ratio de concentration, la conception du prochain concentrateur pourrait intégrer un système de sonde optique permettant de déterminer la durée optimale des purges.

Finalement, la réalisation du projet a permis de développer un nouveau concentrateur qui sera très utile afin d'améliorer le rendement environnemental des stations piscicoles, principalement celles utilisant la recirculation de l'eau et générant des volumes importants de boues diluées. Avec un tel système de concentration, il est maintenant possible de traiter et conserver une grande proportion du phosphore récupéré depuis ces systèmes d'élevage.

6. Références

Ebeling J.M., K.L. Rishel et P.L. Sibrell. 2005. Screening and evaluation of polymers as flocculation aids for the treatment of aquacultural effluents. Aquaculture Engineering, volume 33, pages 235-249.

Ebeling J.M., C.F. Welsh et K.L. Rishel. 2006. Performance evaluation of an inclined belt filter using coagulation/floculation aids for the removal of suspended solids and phosphorus from microscreen backwash effluent. Aquaculture Engineering, volume 35, pages 61-67.

Eding, E. 2005. Factors affecting biofiltration. Aquaculture Recirculation Technology Workshop, août
2005, Norvège.

Marcotte, D. 2010. Évaluation du filtre à courroie de la compagnie Salsnes pour concentrer les boues d'une pisciculture en recirculation. SORDAC. Fiche technique N°2010.2.

MAPAQ et MDDEP. 2008. Documents internes. Essais réalisés à la Ferme Piscicole des Bobines sur l'efficacité de traitement du bassin d'accumulation des boues : essais avec de la chaux, essais avec sulfate ferrique, essais de concentrateurs, caractérisations des rejets. Ministère de l'Agriculture, des Pêcheries et de l'Alimentation du Québec (MAPAQ) et Ministère du Développement Durable, Environnement et Parcs du Québec (MDDEP).