Résumé

Objectif : améliorer l’efficacité énergétique, capter l’eau de sources renouvelables comme la pluie, réduire la consommation de ressources non renouvelables, et favoriser la réutilisation, le recyclage et la recirculation de l’eau et des eaux usées.

Méthodologie de recherche : utilisation d’un système de traitement aérobie et d’un schéma éré de système anaérobie complémentaire, intégration des procédés de la ligne de production du sucre afin de maximiser l’efficacité énergétique et la gestion de l’eau et des eaux usées, ainsi qu’une étude comparative des aspects économiques liés à la recirculation, à la consommation d’eau et au recyclage des eaux usées dans les usines de production de sucre à partir de betterave et de canne à sucre.

Résultats : recyclage des eaux usées, réduction de la consommation d’eau et stockage de l’eau pendant le procédé sur la ligne de production de sucre, production d’électricité à partir du système de refroidissement de la ligne de production grâce à une turbine et aux vapeurs du condenseur, proposition d’une solution pour améliorer l’utilisation de la mélasse, réduction des DBO et DCO, limitation des pertes générées dans le système de production du sucre, et présentation d’un système alternatif de consommation d’eau pour l’usine sucrière.

Conclusion : l’étude montre qu’il est possible d’augmenter l’efficacité globale de la production sucrière en combinant le traitement des eaux usées, la récupération d’énergie et l’optimisation des flux d’eau, tout en réduisant l’impact environnemental et les pertes de procédé.

Mots-clés : traitement combiné des eaux usées, réutilisation de l’eau, industrie sucrière, production d’électricité

Introduction

Dans la plupart des industries, la transformation des denrées alimentaires, lorsqu’elle n’est pas accompagnée d’une politique suffisante en matière de conception ou de mise en œuvre, peut entraîner des dommages irréversibles sur le plan de la protection de l’environnement. Les problèmes environnementaux courants liés aux industries alimentaires comprennent la production d’une grande quantité de déchets solides, une forte consommation d’eau et la génération d’eaux usées à forte charge organique.

Du point de vue environnemental, la gestion de l’eau dans les industries doit être considérée comme une question essentielle dans tout processus de production. Ainsi, lorsque cela est possible, les cycles de recirculation de l’eau ou de réutilisation sont à privilégier. Dans la conception de ces circuits, il convient de prendre en compte les caractéristiques physiques et chimiques du flux d’eau, telles que la température, le pH et la teneur en solides, afin d’éviter les problèmes indésirables dans ces industries (Ingaramo et al., 2008).

Le développement du recyclage de l’eau constitue une étape importante dans l’évolution du procédé de fabrication du sucre vers une quasi absence de rejet, ce qui en fait une contribution majeure à la préservation des ressources en eau (Ingaramo et al., 2008).  Les systèmes hydrauliques sont une composante importante des usines sucrières, caractérisées par une forte consommation d’eau et une production importante d’eaux usées. Chaque année, les usines de production de sucre consomment environ 10,0 millions de mètres cubes d’eau et rejettent environ 9,0 millions de mètres cubes d’eaux usées.

Une méthode courante de traitement des eaux usées dans les sucreries est la filtration. Aujourd’hui, la pollution biologique des eaux usées admissibles, exprimée en DBO, a augmenté de 6 à 10 fois. Les unités de filtration se remplissent jusqu’à cinq fois leur capacité nominale et, lorsque la température descend en dessous de zéro, la filtration à travers le sol diminue fortement, voire s’arrête complètement. Ces insuffisances, ainsi que le mauvais fonctionnement des unités de filtration, la faible pente du système distributeur, la méthode habituelle de nettoyage autour des bassins de décantation et l’absence d’un système complet de recyclage de l’eau pour les eaux usées dans la plupart des sucreries, conduisent au transfert des unités de filtration vers des bassins de stockage situés sur des terrains marécageux à proximité des sites, avec un risque de rejet des eaux usées dans les eaux de surface.

Tous ces éléments, combinés à la dégradation progressive de l’environnement général et au renforcement des exigences liées à la protection de l’eau contre la pollution, imposent la mise en place de meilleures méthodes de traitement des eaux usées, le développement d’installations de traitement avancées et de procédés de production intégrant la protection de l’environnement (Polivanova et al., 2015). Ils appellent également une meilleure production de sucre grâce à des installations de traitement économiquement adaptées, techniquement structurées et respectueuses de l’environnement, avec une consommation optimisée d’énergie et une préservation des ressources en eau brute.

Objectifs de la recherche

Afin de réduire la consommation d’énergie, il est utile de distinguer, dans l’usine, les différents procédés entre consommateurs d’énergie et vecteurs d’énergie utile. Le système d’évaporation continue du sirop est un vecteur . Lorsqu’il est correctement conçu, toute l’énergie entrant dans l’évaporateur peut être utilisée par d’autres sections. Le sécheur de pulpe et la ligne de production du sucre sont des consommateurs, car la majeure partie de l’énergie qu’ils reçoivent n’est pas récupérable. Pour économiser l’énergie, il est indispensable d’identifier les consommateurs  et les vecteurs , qui sont les échangeurs, et d’assurer leur adéquation avec le système de production.

La collecte de l’eau de pluie comme source d’eau brute permet de réduire la consommation d’eau de puits. L’eau de pluie est une ressource précieuse, car elle est disponible gratuitement et sa qualité est bonne, puisque sa teneur en sels dissous est minimale. Pendant chaque saison humide, une grande quantité d’eau de pluie de bonne qualité est évacuée depuis les bâtiments, les routes et les zones ouvertes vers les caniveaux. Les sucreries disposent de vastes superficies et doivent prévoir une organisation appropriée pour filtrer et collecter l’eau de pluie sur le site de l’usine, puis la stocker pour son utilisation dans le procédé.

Recyclage / réutilisation de l’eau et des eaux usées

Réduction / récupération de la consommation d’eau et d’énergie, ainsi que diminution de la DBO et de la DCO

La demande de vapeur pour les procédés de production de sucre et d’éthanol peut être réduite de manière significative par l’intégration thermique des procédés, car cela est important pour favoriser une meilleure utilisation de l’énergie dans ces industries. Dans le cas du système traditionnel de cycles vapeur avec turbines à contre-pression (configuration I), une quantité importante de bagasse excédentaire peut être valorisée grâce à la réduction de la demande en vapeur, afin d’être utilisée comme matière première pour d’autres sous-produits des sucreries de canne, comme l’éthanol ou des produits chimiques supplémentaires. À court terme, une grande quantité d’électricité excédentaire peut être produite dans les sucreries et les distilleries d’éthanol à forte demande en vapeur de procédé (scénario de base) en utilisant des cycles vapeur à des niveaux plus élevés de production de vapeur vive. Pour les usines dont la demande en vapeur a diminué (scénario stable), les cycles vapeur avec condensation des condensats des turbines (configuration II) permettent une augmentation notable de la production d’électricité excédentaire.

Introduction de nouvelles technologies et d’installations de protection environnementale pour le traitement de l’eau et des eaux usées.

Mise en place d’un système sûr et respectueux de l’environnement pour la gestion de l’eau dans les sucreries, en tenant compte des conditions régionales.

Étude des effets économiques du contrôle de la qualité et de la quantité d’eau et des eaux usées, notamment en matière de prélèvement, de pertes et de réutilisation, sur l’industrie de production du sucre à partir de betterave sucrière et de canne à sucre.

Méthode de recherche

1. Études bibliographiques sur les systèmes utilisés dans le monde pour la recirculation de l’eau dans l’industrie sucrière, avec comparaison et analyse technique et économique.
2. Collecte d’informations sur le volume des ventes de l’usine par emballage de sucre, le volume total produit, le volume de chaque lot, la quantité d’eau consommée pour chaque cycle de lavage, les débits entrants et sortants, le coût de l’eau, ainsi que les quantités d’achat et de transfert de canne à sucre et de betterave des champs vers l’usine selon les saisons, en prenant en compte un cycle complet de campagne, à partir d’un questionnaire remis à l’usine.
3. Examen technique et économique de la réutilisation de l’eau à chaque lavage de la betterave et de la canne à sucre, à partir des informations issues du questionnaire obtenu de l’usine sucrière, et comparaison des données obtenues avec les systèmes de traitement et de désinfection utilisés pour la réutilisation de l’eau et de l’énergie dans la première partie.
4. Proposition et conception d’un système adapté fondé sur la réduction de la consommation d’énergie et d’eau, ainsi que sur l’amélioration du système de recyclage de l’eau, des eaux usées et de l’énergie de l’usine, après évaluation finale de sa rentabilité économique, sociale et environnementale.

Concepts de consommation d’eau et revue des recherches antérieures

La consommation d’eau par l’industrie est un sujet complexe. Le premier aspect est le prélèvement d’eau. L’industrie retire de grandes quantités d’eau des ressources hydriques, telles que les rivières, les lacs et les nappes phréatiques. Aux États-Unis, les industries manufacturières prélèvent presque deux fois plus d’eau que les municipalités. Une très faible part du secteur industriel, environ 0,03%, est prélevée par les usines de sucre de betterave. Cependant, en raison de la forte variabilité saisonnière, de la concentration géographique des principaux dépôts alluviaux et aquifères, ainsi que de la présence de ruisseaux, ce prélèvement représente une part importante des volumes totaux prélevés dans certaines régions du pays.

Dans certains endroits, un tel prélèvement n’est possible que si les réservoirs régionaux, tels que les rivières permanentes et saisonnières, les sources et les zones humides, libèrent un débit suffisant. La qualité de l’eau disponible à l’extraction influence probablement fortement le coût de prélèvement pour l’industrie. L’industrie peut tirer avantage de procédés tels que l’augmentation des rejets ou des niveaux plus élevés de traitement des eaux usées en amont. D’un autre côté, dans la plupart des cas, il est possible pour des usines industrielles individuelles de réduire leur prélèvement en recourant à la recirculation de l’eau, et elles peuvent toujours améliorer la qualité de l’eau utilisée grâce au traitement de leurs eaux usées. On verra que ces facteurs constituent des options principales, et souvent les plus pratiques, dans l’industrie sucrière de betterave.

Des pertes d’eau très élevées dans certaines industries proviennent de l’évaporation au cours du processus de consommation ou du stockage des produits. Dans l’usine elle-même, une certaine évaporation se produit, en particulier dans la partie où la pulpe de betterave est séchée. Cette évaporation est généralement compensée par l’extraction du jus de betterave, voire dépassée par le volume de jus retiré, grâce à l’extraction et à la compression de la pulpe humide de betterave. Certaines usines utilisent de très grands bassins pour protéger l’ensemble des eaux usées contre l’évaporation et l’infiltration souterraine. Les pertes par infiltration ou évaporation sont donc très importantes.

Lorsque des zones humides sont utilisées pour le stockage temporaire des eaux usées à faible débit, l’eau redevient disponible, pendant les périodes de forts débits, au moment le plus critique du système hydrologique régional. La principale raison de l’attention particulière portée à la consommation d’eau par l’industrie sucrière de betterave réside dans le caractère fortement polluant des eaux usées produites lors des procédés spécifiques utilisés dans les sucreries. On affirme parfois que la DBO des eaux usées d’une sucrerie de betterave équivaut à celle d’une ville de 250 000 habitants. Si une telle quantité d’eaux usées est rejetée directement dans les petits cours d’eau qui caractérisent la plupart des zones de production de betterave sucrière, la teneur en oxygène dissous (DO) subit une forte pression. Le DO peut même tomber à un niveau d’épuisement tel que les poissons disparaissent, ou que des marécages inesthétiques se forment.

Les eaux usées des sucreries de betterave transportent également de grandes quantités de matières solides en suspension qui, si elles ne sont pas éliminées, forment des dépôts boueux dans les conduits. Ainsi, lorsque les eaux usées sont produites, un filtre percolateur ou un traitement par boues activées peut nécessiter jusqu’à un mois pour devenir pleinement efficace, c’est-à-dire pour permettre à la croissance bactérienne d’atteindre un niveau utile, alors que la période annuelle de production d’une sucrerie n’est généralement que de 60 à 120 jours. En outre, l’investissement dans ces usines est très élevé, surtout si la totalité du débit d’eaux usées doit être traitée, et cet investissement devient encore plus lourd lorsque la période de production est courte. La recirculation de différents flux d’eaux usées et le stockage des résidus dans des zones humides, afin d’assurer une alimentation plus régulière des unités de traitement, peuvent améliorer temporairement l’économie du traitement (Lof & Kneese, 2016).

La réduction des eaux usées s’accompagne généralement de coûts. Le rejet des effluents impose souvent des coûts externes, liés au débordement ou à la pollution, aux utilisateurs en aval et au public. Ce coût externe peut être suffisamment élevé pour justifier une action collective visant à réduire les rejets industriels. Comme les méthodes de réduction des rejets industriels incluent souvent la recirculation, elles influencent aussi les coûts externes liés à la consommation d’eau de l’usine et peuvent être particulièrement avantageuses dans les régions où l’eau est rare. Cela montre que la demande de prélèvement d’eau, au moins lorsqu’un délai suffisant est disponible pour l’adaptation économique, est sensible au prix ou au coût de l’eau et y répond. (Resources, Auguste, 1960)

Définitions

• Prélèvement ou consommation d’eau : volume d’eau retiré d’une source d’eau de surface ou souterraine, telle qu’une rivière, un lac ou une nappe phréatique, par les installations de prélèvement de l’usine, par exemple un puits.
• Eaux usées de procédé ou décharge : volume d’eau rejeté par l’usine après utilisation dans le procédé
• Recirculation de l’eau ou recyclage : volume d’eau renvoyé pour être réutilisé dans l’usine, avec ou sans traitement, dans les mêmes procédés utilisant la même source d’eau, ou plus rarement dans d’autres procédés
• Utilisation totale ou brute de l’eau : volume total d’eau utilisé dans les différents procédés de l’usine, additionné au volume total d’eau recirculée, qu’elle soit traitée ou non.
• Évaporation ou perte : volume d’eau évaporée, incorporée dans la production ou évacuée d’une autre manière, qui n’est pas réutilisable par l’usine ni disponible pour d’autres usages.
• Eaux usées avant traitement : volume total d’eau utilisée moins toute l’eau renvoyée dans le système pour un traitement et une réutilisation réussie.
• Eaux usées après traitement : volume d’eaux usées rejetées par les usines industrielles ; dans cette définition, tout dispositif contribuant au traitement des eaux usées (bassins, filtres percolateurs, etc.) est pris en compte dans les installations industrielles. Les eaux usées de l’usine correspondent à l’eau initialement prélevée moins les rejets.
• Eaux usées traitées : quantité résiduelle d’eaux usées produites par les procédés de l’usine, ou de matières en suspension dissoutes dans l’eau, qui ne peuvent pas être recirculées, et qui sont mesurées avant traitement afin de décider si elles doivent être recyclées ou rejetées.
• Rejet des eaux usées : volume d’eaux usées après traitement de l’usine, susceptibles encore de contenir des matières en suspension dissoutes (Lof & Kneese, 2016)

Historique de la consommation d’eau et de la production de sucre à partir de betterave sucrière

En Amérique continentale, environ 40% des ressources sucrières proviennent de la betterave sucrière et de la canne à sucre, et 12% de sucre supplémentaire est obtenu à partir de la canne à sucre produite à Hawaï. Les six millions de tonnes de sucre actuellement importées vers l’Amérique continentale depuis des sources nationales non gouvernementales et étrangères représentent plus d’un tiers du sucre échangé dans le commerce mondial. La consommation mondiale de sucre est d’environ 65 millions de tonnes, dont près de 10 millions de tonnes aux États-Unis. Entre 85 et 90% de la demande mondiale totale en sucre et en sirops sucrés est couverte par la canne à sucre et la betterave. Dans la production mondiale, 56% proviennent de la canne à sucre et 44% de la betterave.

Le raffinage du sucre ne nécessite pas de grandes quantités d’eau, et les rejets d’eaux usées qui en résultent sont généralement faibles. Par conséquent, même si la betterave sucrière produite localement ne représente qu’une part relativement faible, environ 25 à 30% de la consommation nationale de sucre, elle entraîne une consommation d’eau plus importante et des problèmes de rejet des eaux usées industrielles sucrières en Amérique continentale.

Rapports sur la consommation d’eau par tonne de betterave

Les rapports sur la consommation d’eau par tonne de betterave sont très variables. Le critère de mesure reflète surtout les différences de procédés utilisés pour le traitement de la betterave, mais cette lecture est parfois peu claire. À titre indicatif, l’Allemagne annonce entre 2 600 et 7 800 gallons par tonne (Gewerbliche, 1959).

L’Angleterre propose 5 000 gallons d’eaux usées par tonne, ce qui correspond à son prélèvement. Dans une usine anglaise où l’eau n’est pas réutilisée, le prélèvement des villes est de 3 500 gallons par tonne, tandis que le prélèvement moyen, pour 18 usines, est de 1 200 gallons par tonne ; avec 1 200 gallons de recirculation, l’utilisation moyenne totale atteint donc 2 400 gallons par tonne (Phipps & Henry, 1963).

On observe qu’aux États-Unis, la consommation est de 2 500 à 3 500 gallons par tonne. Même si le terme « consommation » est utilisé, il s’agit probablement de la « consommation brute totale moins la recirculation », c’est-à-dire de notre définition initiale du prélèvement (Porges & Hopkins, 1955). Comme les prélèvements sont relativement faibles, de l’ordre de quelques centaines de gallons par tonne, les pertes sous forme de vapeur deviennent probablement la composante principale du prélèvement, ce qui réduit de manière notable le volume d’eaux usées.

Une fois encore, il faut souligner la différence entre les définitions de la consommation d’eau dans cette industrie. Le prélèvement désigne la quantité d’eau conduite ou pompée depuis la source pour être utilisée dans l’usine. La consommation totale correspond à cette quantité, augmentée de l’eau fournie pour la réutilisation par recirculation. La perte correspond à la quantité d’eau que l’usine perd, principalement par évaporation, tandis que le rejet désigne le volume d’eau que l’usine restitue aux milieux aquatiques ou aux zones humides où il n’existe pas de courant (Kneese, Smith, & Bower, 1966; Lof & Kneese, 2016).

Il y a une différence intéressante : alors que les usines aux États-Unis rejettent seulement une quantité négligeable de leurs eaux usées dans les réseaux publics, une part importante des eaux usées en Allemagne est dirigée vers les réseaux d’assainissement publics. Cela reflète un développement industriel et démographique plus poussé autour des sucreries allemandes, et les eaux rejetées dans les réseaux publics y sont davantage traitées. On peut en déduire que, lors de l’estimation des statistiques ci-dessus, une recirculation plus importante et un niveau de traitement plus élevé en Allemagne ont probablement réduit les rejets d’eaux usées vers les eaux de surface. Les changements majeurs survenus dans l’industrie sucrière de betterave aux États-Unis au cours des cinq dernières années, ou davantage, ont très probablement fortement réduit, voire supprimé, cet écart (Lof & Kneese, 2016).

Technologie de l’eau dans l’industrie

Processus de production

La mélasse de betterave est vendue directement pour l’alimentation animale, la production d’alcool et la production de levure. Elle peut aussi être mélangée à la pulpe de betterave avant séchage, puis vendue comme aliment à plus forte valeur ajoutée. Selon les conditions du marché et les capacités de l’usine, elle peut également être utilisée dans le procédé Steffen pour produire environ 10% de sucre supplémentaire.

Dans le cas du procédé Steffen, le produit est filtré et, s’il n’est pas éliminé, il est concentré puis mélangé à la pulpe. Dans certaines usines, il sert de matière première pour la récupération du glutamate monosodique, du sulfate de potassium et d’un concentré liquide riche en protéines destiné au mélange avec des aliments secs.

En plus de cette diversité dans la qualité et la nature des sous-produits, la teneur en sucre de la betterave varie aussi selon plusieurs facteurs :

1. Les différences entre régions du pays, dues aux conditions climatiques et aux caractéristiques des sols
2. Les variations d’une année à l’autre, dues aux conditions climatiques et à d’autres facteurs environnementaux

Il existe également des différences d’une usine à l’autre dans le rendement en sucre extrait de la betterave. Celles-ci sont principalement liées à l’utilisation ou non du procédé Steffen, ainsi qu’aux facteurs de conception et d’exploitation de la ligne de production principale. Le pourcentage de récupération du sucre dépend aussi de la qualité de la betterave, elle-même liée au niveau des pertes.

La plus grande variation d’une usine à l’autre concerne la quantité d’eau consommée. Elle est principalement liée aux différences de méthodes de recirculation de l’eau et, dans une moindre mesure, aux variations de conception et de fonctionnement du procédé de fabrication du sucre, aux différences climatiques qui influencent la consommation d’eau par les condenseurs, ainsi qu’aux facteurs météorologiques saisonniers qui influencent la propreté des betteraves et la consommation d’eau de lavage (Lof & Kneese, 2016).

Notre vision générale de la production de sucre de betterave est la suivante : les betteraves sont d’abord acheminées depuis l’aire de stockage vers l’usine par un canal d’eau, puis lavées et découpées en fines lamelles. Le sucre est extrait de ces copeaux à l’aide d’eau chaude, puis le jus dilué obtenu est clarifié par l’ajout successif de chaux et de dioxyde de carbone. Après filtration, le jus dilué est concentré en sirop épais, puis évaporé sous vide jusqu’à former une suspension de cristaux de sucre dans un sirop concentré. Les cristaux sont séparés du sirop dans une centrifugeuse, puis séchés et stockés.

Le sirop concentré contient encore une quantité importante de sucre ; il est donc recirculé pour subir une nouvelle évaporation et une nouvelle cristallisation. Le liquide final restant, dont le sucre ne peut plus être cristallisé de manière économiquement rentable, constitue le sous-produit appelé mélasse. Un autre sous-produit est la pulpe de betterave épuisée, d’où le sucre a été extrait. Ce produit est soit stocké en silos et vendu comme pulpe humide pour l’alimentation animale, soit généralement séché pour être commercialisé comme aliment sec. Tout ou partie de la mélasse est mélangée à la pulpe de betterave avant le séchage.

La consommation brute totale d’eau dans chacun des principaux procédés de la plupart des usines de betterave sucrière est indiquée dans le tableau 2-3. La consommation brute totale typique par tonne de betterave transformée, ainsi que par jour de fonctionnement moyen dans une usine type d’une capacité de 2 700 tonnes, y est également présentée. Tous ces volumes correspondent à des quantités d’eau qui n’avaient pas été précédemment utilisées, ou qui ont déjà servi dans l’usine pour le même usage ou pour d’autres usages (Lof & Kneese, 2016).

Eaux de transfert et eau de lavage des betteraves

La betterave sucrière est prélevée dans les stocks puis transportée jusqu’à la zone de transformation de l’usine dans un flux d’eau circulant dans un canal. Elle entre ensuite dans le laveur, qui élimine toute saleté susceptible d’adhérer aux betteraves. L’eau de lavage des betteraves et l’eau du canal de transfert peuvent être traitées ensemble, car elles transportent généralement les mêmes types de déchets et font partie du même système d’assainissement interne de l’usine.

Le volume d’eau consommé à ces fins est très important et représente environ la moitié de la consommation brute totale d’eau à l’intérieur de l’usine. Les déchets présents dans l’eau de lavage et dans le canal de transfert sont constitués de particules de sol, de racines de betterave, de fragments de betterave, de tiges et de feuilles, ainsi que d’une certaine quantité de sucre dissous et d’autres matières organiques provenant de betteraves endommagées ou détériorées.

Comme on le voit dans le tableau 2-3, la demande biochimique en oxygène (DBO) de ce flux d’eau est très élevée. Elle représente environ 10% de la DBO totale rejetée par une usine qui ne dispose d’aucun procédé de recirculation ou de recyclage des eaux usées, où la pulpe humide est produite puis stockée en entrepôt et où le procédé Steffen est applicable. L’examen des différents procédés fera apparaître l’importance de ces derniers.

Les produits et procédés de l’usine type présentée dans la figure 2-2 montrent que cette usine ne peut pas être considérée comme représentative des installations actuelles de l’industrie, mais elle demeure utile pour l’interprétation et l’évaluation, car elle possède le système d’eau et d’eaux usées le plus simple(Lof & Kneese, 2016).

Flux d’eau à travers les diffuseurs

Les betteraves passent du laveur à une balance au moyen d’un élévateur, puis sont découpées par une coupeuse en fines lamelles appelées copeaux. Ces copeaux sont introduits dans des diffuseurs, où le sucre et les autres matières organiques solubles sont extraits à l’aide d’eau chaude.

Le premier produit issu de l’étape de diffusion est un jus dilué contenant environ 10% de sucre, obtenu selon les étapes décrites ci-dessous. Le second est la pulpe de betterave, c’est-à-dire la matière dont le sucre a été extrait.

Deux types de diffuseurs sont utilisés. Dans l’ancien système, les bandes de betterave sont introduites dans un appareil d’extraction d’une capacité équivalente à une dizaine de grands réservoirs en acier, à travers lesquels de l’eau chaude est pompée en circuit. L’eau neuve entre dans le diffuseur contenant les bandes dont le sucre a déjà été entièrement extrait, puis le flux passe vers le diffuseur le plus ancien et le processus se poursuit jusqu’au remplissage du dernier diffuseur.

Dans cette extraction continue en contre-courant, la concentration en sucre du jus est augmentée autant que possible, tandis que la teneur en sucre résiduelle des bandes de betterave est réduite presque à zéro. Lorsqu’un diffuseur donné est prêt pour une extraction complète, le flux contenu dans le tube d’extraction est évacué par une vanne située en partie basse, avec juste assez d’eau pour faciliter l’écoulement. Le diffuseur est ensuite rechargé avec de nouveaux copeaux, et l’ordre du flux d’eau est modifié de manière à ce que cette unité devienne la dernière du système (Lof & Kneese, 2016).

Aspects de production d’eau et d’eaux usées

L’eau utilisée pour la filtration et la consolidation de la pulpe de betterave contient un certain nombre de très fines particules de pulpe, un peu de sucre et d’autres matières organiques. Ce flux est acheminé vers une grille filtrante, où il se transforme en grande partie en eau d’égouttage. Ensuite, la pulpe est généralement fortement consolidée afin d’en extraire un maximum d’eau avant le séchage, ou bien la pulpe humide est stockée en silos puis vendue. Le flux d’eau issu de la consolidation est généralement combiné avec l’eau provenant des grilles filtrantes pour former l’eau d’égouttage des eaux usées. Cela représente environ 10% du volume total des eaux usées produites dans une sucrerie de betterave, comme indiqué dans le tableau 2-4. Cela représente aussi environ 10% de la DBO potentielle provenant d’une installation utilisant des diffuseurs.

La figure 2-3 montre les grilles filtrantes traversées par l’eau lors de la filtration et de la consolidation, avec l’eau rejetée sous forme d’égouttage. Ce flux peut être en partie, ou presque entièrement, réutilisé dans le processus de diffusion après un traitement approprié, notamment un passage à travers des grilles filtrantes et une rechloration. Lorsque cela est fait, le rejet des eaux usées diminue et une petite quantité de sucre supplémentaire est récupérée.

Une évolution majeure du diffuseur en batterie est un nouvel appareil appelé diffuseur continu. Dans le diffuseur continu, les copeaux sont entraînés par une vis hélicoïdale tournant lentement, ou par un grand tube incliné vers le haut. Le mouvement ascendant des copeaux permet d’extraire en continu le sucre au contact d’un courant d’eau chaude. Les copeaux épuisés sont évacués en continu à l’extrémité supérieure du diffuseur et sont généralement transportés par l’eau vers l’étape suivante. La séparation de l’eau de la pulpe de betterave à l’aide de filtres et leur consolidation est une méthode utilisée dans les anciens diffuseurs, contrairement aux diffuseurs continus. Le diffuseur continu facilite davantage la recirculation de l’eau de filtration de la pulpe et de l’eau chaude de consolidation, car le système dispose d’un meilleur équilibre hydrique et ne présente pas les problèmes liés aux fines particules de pulpe en suspension dans l’eau recirculée ni à la formation de gaz dans les diffuseurs. Il facilite aussi le transfert de la pulpe épuisée vers l’étape de consolidation par convoyeur mécanique plutôt que par transport hydraulique, comme dans les anciens systèmes, ce qui réduit la demande en eau. Le diffuseur continu élimine généralement le besoin de rejeter l’eau d’égouttage externe de la pulpe. Ce système, illustré dans la figure 2-3, est généralement utilisé dans les usines existantes.

Selon le mode d’exploitation, la pulpe de betterave peut créer un problème important de pollution des eaux usées. La pulpe a une valeur notable comme aliment pour le bétail, et l’une des méthodes pour l’utiliser à cette fin consiste à stocker la matière humide dans de grands silos. Le drainage de la pulpe stockée présente une DBO très élevée et représente environ 30% de la charge potentielle des eaux usées d’une sucrerie de betterave. Une option courante est le séchage artificiel de la pulpe de betterave partiellement déshydratée. Dans ce cas, le problème du drainage des silos disparaît, puisque ce drainage constitue l’essentiel de la charge polluante associée. Ces deux méthodes d’utilisation de la pulpe sont présentées dans les figures 2-3 et 2-4.

Les diffuseurs en batterie ou continus produisent un jus brut qui est envoyé vers deux cuves de chaulage et de carbonatation fonctionnant en série. Dans la première unité, du lait de chaux est ajouté et du dioxyde de carbone est insufflé dans le jus chaulé. Cela provoque la précipitation du carbonate de calcium, qui coagule les matières solides en suspension et divers non-sucres. Le mélange est alors clarifié et un « gâteau de chaux » en est retiré. Le liquide restant entre dans la seconde unité, où davantage de dioxyde de carbone est injecté, ce qui provoque la précipitation du reste de la chaux. Le mélange est de nouveau clarifié et produit davantage de gâteau de chaux.

Après la seconde clarification, le jus clarifié subit un traitement chimique afin d’ajuster son alcalinité et son pH. Avant de poursuivre le trajet du jus, il faut s’intéresser au gâteau de chaux, qui constitue une autre source potentielle de pollution. Le gâteau de chaux désigne une boue aqueuse, facile à transporter par pompage. De petites quantités de sucre et des quantités plus importantes de diverses matières organiques restent dans cette boue, qui porte plus de 15% du besoin potentiel en oxygène. Toutefois, si le traitement primaire par décantation n’est pas utilisé, il peut retenir une grande partie des matières solides en suspension. En général, cette opération élimine presque toutes les matières en suspension et réduit fortement la DBO, principalement grâce à la décantation des solides, jusqu’à environ un sixième ou un septième de sa valeur initiale.

Après séchage de la boue de chaux dans un bassin de décantation, elle peut parfois être vendue aux agriculteurs pour ses propriétés d’aération du sol, mais elle est généralement simplement accumulée dans le bassin jusqu’à former des dépôts sur les bords après plusieurs années, ou bien évacuée avec les déchets. La figure 2-4 montre le bassin de décantation de la boue de gâteau de chaux, qui est aujourd’hui une méthode courante dans cette industrie. Bien que le stockage temporaire dans un bassin réduise fortement la DBO du gâteau de chaux, il ne l’élimine pas complètement. Il est toutefois possible, si on le souhaite, d’éliminer totalement cette source d’eaux usées par une méthode relativement simple, mais pas nécessairement économique.

Certaines usines en Angleterre et en Allemagne ne diluent pas le gâteau de chaux lorsqu’il sort des filtres à l’état semi-sec, avec environ 50% d’eau. Dans cet état semi-minéral, il est généralement éliminé par vente directe aux agriculteurs. Cette vente n’est possible que dans les régions à sols acides, ce qui correspond généralement aux régions humides. Cette méthode exige un transport mécanique du gâteau de chaux, plus coûteux, et entraîne une légère réduction de la consommation d’eau dans l’usine.

En revenant à la production de sucre, le jus obtenu après les étapes de carbonatation et de filtration contient 10 à 13% de sucre. L’étape suivante consiste à concentrer ou saturer ce jus. Cela est réalisé dans des évaporateurs à effets multiples, qui produisent une solution contenant 55 à 65% de sucre. De l’eau pulvérisée est utilisée pour condenser les vapeurs produites par les évaporateurs, ce qui leur permet de fonctionner sous vide partiel, et cela crée un flux potentiel d’eaux usées, appelé eau de condenseur. Comparé aux autres eaux usées évoquées, il s’agit d’un flux relativement mineur en termes de DBO totale produite.

Sa demande en oxygène dépend de la quantité de jus entraînée dans les vapeurs, ce qui est principalement fonction de la conception de l’équipement utilisé et de son mode de fonctionnement. En général, ce flux ne transporte qu’environ 1% de la DBO potentielle d’une sucrerie de betterave, mais il présente aussi une température relativement élevée, ce qui peut constituer ou non un problème. En installant des tours de refroidissement ou des buses de pulvérisation, il est possible de dissiper cette chaleur, et il est alors relativement simple de réutiliser l’eau de condensation à des fins de recirculation. L’eau du condenseur peut aussi être utilisée sans refroidissement pour le transport des betteraves dans le canal. La recirculation de l’eau du canal de transport est une pratique courante dans l’industrie.

Si l’eau du canal de transport est elle-même recirculée, l’eau du condenseur peut servir d’appoint. Si l’eau du condenseur peut être entièrement recirculée, les problèmes de DBO et de température liés à son rejet dans le cours d’eau sont éliminés simultanément. Mais comme pour tous les flux recirculés, l’accumulation de substances non dissoutes dans le flux pose problème. Si les systèmes de recirculation sont réglés de sorte qu’une partie de l’eau neuve soit d’abord ajoutée au condensat et qu’une partie de l’eau du condenseur soit ensuite utilisée en appoint pour l’eau du canal de transport, l’accumulation de solides dissous peut rester acceptable au cours de chaque opération.

Les évaporateurs concentrent ensuite la solution, appelée sirop épais, jusqu’à ce qu’environ la moitié du sucre soit extraite. Là encore, un ajustement chimique du pH peut avoir lieu. Le sucre dissous est envoyé vers l’extracteur sous vide, en réalité de grands évaporateurs, où il est bouilli et concentré jusqu’à formation de cristaux. L’évaporation se poursuit jusqu’à ce que les cristaux atteignent la taille souhaitée. Le mélange de sirop et de cristaux est ensuite envoyé dans des centrifugeuses, où les cristaux de sucre sont retenus sur le tamis tandis que le sirop s’écoule.

Le sirop collant résiduel est rincé à travers le tamis avec une buse de pulvérisation d’eau chaude, puis le sucre humide passe dans un séchoir, un refroidisseur et un tamis. Le sucre pur est alors produit, prêt à être emballé et distribué. Le sirop concentré et lavé provenant des centrifugeuses contient encore beaucoup de sucre dissous, dont la majeure partie peut être récupérée dans un second récipient sous vide. Les impuretés organiques et inorganiques présentes dans le sirop à ce stade réduisent la pureté du sucre cristallisé. Ainsi, après séparation d’avec le sirop collant restant dans la centrifugeuse, ce sucre de haute qualité brut est de nouveau dissous dans de l’eau chaude, puis ajouté à la première solution du récipient sous vide. On obtient alors davantage de sucre pur, tandis que les impuretés sont en grande partie retenues dans la mélasse résiduelle.

Cette mélasse est ensuite retraitée par évaporation, cristallisation et centrifugation afin d’obtenir un sucre brut de qualité inférieure , qui est dissous et ajouté à l’eau entrant dans le récipient sous vide destiné au sucre brut de haute qualité, tandis que la mélasse issue de cette dernière séparation quitte finalement le procédé. En général, quatre à cinq tonnes de mélasse sont obtenues à partir de 100 tonnes de betteraves (Lof & Kneese, 2016).

Procédé Steffen et ses eaux usées

Jusqu’ici, nous avons décrit ce que l’on appelle le procédé direct de fabrication du sucre, commun à toutes les sucreries de betterave. Lorsque la majeure partie du sucre extrait de la betterave a été produite, c’est en réalité la fin du processus sucrier. Le sirop issu des centrifugeuses est collecté puis vendu comme mélasse. Le principal marché de la mélasse est l’alimentation animale et la fabrication d’alcool par fermentation.

Le procédé Steffen constitue un traitement chimique de la mélasse sucrière. La fraction de sucre récupérée par le procédé Steffen représente environ 50% de la mélasse, soit environ 10% du sucre total de la betterave. La mélasse est le premier sous-produit concentré du sucre, et sa teneur est d’environ 7%. Lorsque de la chaux en poudre est ajoutée, le calcium forme un saccharate insoluble. Ce procédé permet d’extraire 85% du sucre contenu dans la mélasse.

Le mélange est filtré et le gâteau insoluble est envoyé dans une cuve de carbonatation, où le dioxyde de carbone libère le calcium présent dans le sucre, transformant le carbonate de calcium insoluble en boue. La solution clarifiée issue du gâteau de saccharate constitue les eaux usées du procédé Steffen. Leur volume est faible, mais leur demande biochimique en oxygène est très élevée. En réalité, il s’agit de l’un des polluants potentiels les plus importants produits dans une sucrerie. Environ un quart de la charge organique totale potentielle peut provenir de cette seule source.

Les eaux usées de Steffen contiennent, en plus du sucre, des sels minéraux, principalement du carbonate de potassium, d’autres sucres que le saccharose ordinaire comme le mannose et le raffinose, ainsi que d’autres composés organiques extraits de la betterave. La figure 2-3 montre un procédé de fabrication du sucre dans lequel les eaux usées de Steffen sont rejetées directement dans un cours d’eau.

La méthode habituelle de récupération consiste à concentrer par évaporation le filtrat concentré de Steffen (CSF), qui est ensuite mélangé à la pulpe humide de betterave avant séchage pour l’alimentation animale. Dans une usine, le CSF provenant de plusieurs sucreries de betterave est traité pour produire du glutamate de magnésium, du sulfate de potassium et un concentré résiduel destiné au mélange avec des aliments pour animaux. La figure 2-4 montre le rejet du filtrat de Steffen selon sa concentration.

Il existe aussi d’autres procédés permettant de récupérer la petite quantité de sucre résiduelle dans la solution de déchets de Steffen. Parmi eux figurent des procédés osmotiques et des méthodes fondées sur la précipitation du sucre à l’aide de composés du baryum ou du strontium. Ces méthodes sont pratiquement identiques au procédé Steffen, mais en remplaçant l’hydroxyde de calcium par de l’hydroxyde de baryum ou de strontium. Le principe utilisé est la plus faible solubilité de ces saccharates par rapport au saccharate de calcium, ce qui permet de récupérer davantage de sucre à partir des matières résiduelles du procédé Steffen.

Cependant, le coût élevé des composés de baryum et de strontium impose leur récupération et leur réutilisation ; ainsi, le carbonate précipité issu de la carbonatation doit être converti en hydroxydes dans un processus auxiliaire. Pour des raisons économiques, le procédé au saccharate de baryum n’est utilisé que dans une seule usine aux États-Unis, et le procédé au strontium n’est pas utilisé du tout.

Les procédés de la dernière étape de toutes les sucreries de betterave sont essentiellement les mêmes et produisent un rendement équivalent. Cela signifie que, pour l’ensemble de l’usine, il n’y a pas d’autre gain que ceux liés aux installations prévues pour la gestion des sous-produits, à savoir la pulpe de betterave et la mélasse.

En conséquence, la consommation brute totale d’eau, les effluents et les eaux usées produites dans le canal de transport, le lavage, la diffusion, le passage sur les filtres et la consolidation de la pulpe, les étapes de boue de chaux, le refroidissement et la condensation du gâteau de chaux, ainsi que d’autres étapes liées aux sous-produits, concernent la pulpe humide ou sèche, la mélasse, ou les produits Steffen, à savoir le sucre supplémentaire, le filtrat de Steffen et/ou ses dérivés ultérieurs. De nombreuses comparaisons ont été effectuées entre les usages de l’eau dans ces principales étapes de transformation d’une usine à l’autre. Le séchage de la pulpe, contrairement à la production de pulpe humide, n’a pas d’effet sur la consommation brute totale d’eau, mais il réduit fortement la production et le rejet des eaux usées grâce à la suppression du drainage des silos. Ainsi, la forme du produit, pulpe humide ou pulpe sèche, influence le volume total des eaux usées.

Le procédé Steffen augmente la production de sucre par tonne de betterave d’environ 10%. Il n’augmente que légèrement la consommation brute totale d’eau, d’environ 2% selon le tableau 2, et rend pratiquement nul le prélèvement d’eau supplémentaire. Ainsi, les comparaisons entre usines, en termes de consommation totale d’eau ou d’eaux usées, sont généralement positives ou négatives selon que le procédé Steffen est disponible ou non. La quantité de sucre produite par unité d’eau consommée augmente bien sûr légèrement lorsque le procédé Steffen fonctionne (Lof & Kneese, 2016).

Conséquences des changements de procédé sur les économies d’eau et la réduction des charges polluantes

Nous avons examiné la technologie de cette industrie en mettant l’accent sur son usage de l’eau et sur la production de flux d’eaux usées. Nous avons signalé plusieurs moyens principaux de réduire, voire d’éliminer, ces flux. Une conclusion facile à tirer à ce stade est qu’il est tout à fait possible de concevoir des systèmes comportant des procédés et des schémas de recirculation qui ne génèrent aucune charge externe d’eaux usées. De tels systèmes sont illustrés dans la figure 2-5.

Cependant, cela ne signifie pas qu’il soit toujours souhaitable de concevoir des systèmes plus complexes. Lorsque la plupart des modifications de procédé possibles ne permettent ni d’obtenir davantage de sucre récupéré, ni de générer d’autres produits ayant une valeur supérieure au coût initial, même un approvisionnement en eau de bonne qualité et une eau usée pouvant être rejetée dans une rivière peuvent coûter moins cher. Si ces conditions n’étaient pas réunies, l’eau issue de la consolidation de la pulpe ou de la filtration pourrait être rejetée dans la rivière. De même, la pulpe sèche en silo peut être envisagée comme un traitement dépendant des conditions du marché.

Une proposition qui coûte presque toujours peu à l’usine est le rejet direct du gâteau de chaux dans la rivière, tout comme l’eau du condenseur non traitée. Bien que la récupération du glutamate monosodique et de la potasse à partir des eaux usées de Steffen puisse dépendre fortement de la demande du marché pour ces produits, leur production à partir de ces eaux usées reste, sur le plan économique, très coûteuse et non rentable pour les sucreries en raison des exigences de conception et de mise en œuvre.

Pour toutes ces raisons, la réduction des eaux usées et de la consommation d’eau n’apporte pas seulement des avantages : elle a aussi un coût. L’un des objectifs majeurs de cette étude est d’établir des relations fonctionnelles entre ces variables d’utilisation de l’eau et les coûts nets liés à leurs modifications (Lof & Kneese, 2016).

Autres méthodes de réduction des charges polluantes

Séparation mécanique

Une grande partie des matières en suspension présentes dans les eaux usées des sucreries de betterave se trouve sous forme de solides transportés dans plusieurs flux d’eaux usées. Elles peuvent être éliminées assez facilement par des méthodes simples et peu coûteuses : a) le tamisage, b) la décantation ou la sédimentation.

a) Tamisage

Les déchets, feuilles, petits morceaux de betterave et autres matières peuvent être séparés des eaux du canal de transport et de lavage en faisant passer l’ensemble du flux à travers une grille et un filtre à mailles fines en acier inoxydable ou en bronze. On utilise généralement des filtres rotatifs, vibrants ou à transfert. Des vibrateurs mécaniques ou des jets d’eau éliminent les solides du filtre vers un dispositif de dépôt au sol, ou vers un mélange avec la pulpe de betterave comme sous-produit. La pulpe à granulométrie fine sort aussi de cette manière du filtre à pulpe et des eaux de consolidation de la pulpe.

b) Décantation et sédimentation

 Les fines particules de sol et autres solides en suspension dans l’eau du canal, ainsi que les particules de chaux présentes dans la boue de gâteau de chaux, peuvent se déposer dans des bassins ou dans des réservoirs de concentration mécanique. En plus de retirer les solides en suspension, ce procédé réduit considérablement la DBO du trop-plein d’eau avant rejet final. Toutes les sucreries de betterave appliquent ce procédé pour traiter au moins une partie des matières liquides produites.

Traitement des eaux usées par des procédés biologiques biodégradables

Les méthodes de traitement biologique sont similaires à celles du traitement des eaux usées municipales. Elles exposent le flux d’eaux usées à un traitement biologique dans un environnement contrôlé, au sein d’une station d’épuration. Deux grands types d’installations biologiques sont utilisés pour les eaux usées biodégradables : a) les filtres à mailles fines et b) les boues activées.

Bien qu’aucun de ces deux procédés ne soit utilisé régulièrement pour traiter les eaux usées des sucreries de betterave, plusieurs essais ont été menés avec l’un d’eux. Dans une expérience allemande, il a été rapporté que les eaux usées de l’usine étaient traitées par un filtre à mailles fines. Le diffuseur et l’eau de consolidation devaient y être réduits à une teneur en sucre inférieure à un dixième de pour cent. Même à cette faible concentration, le filtre à mailles ne supportait pas une charge aussi élevée, et il a fallu du temps pour que les masses biologiques se développent suffisamment pour que le traitement soit efficace. Dans ces conditions, le traitement direct des eaux usées sucrières par filtres à mailles est très coûteux.

Dans une autre expérience allemande, les eaux de sortie d’une sucrerie ont été stockées dans une zone humide disposant d’une capacité suffisante pour permettre un traitement biologique sur filtre à mailles, afin de poursuivre l’accumulation biologique pendant l’année. Dans ce cas, des résultats relativement bons ont été obtenus avec une variété de betterave de très petite taille, ce qui a finalement permis un chargement du filtre à mailles avec des eaux non diluées provenant de la zone humide, en présence de masses biologiques. Comme pour d’autres dispositifs de traitement externe et méthodes de réduction optimale de la pollution des eaux usées, l’investissement dans les zones humides et les installations de traitement peut être considérablement réduit si des procédés de recirculation interne et de recyclage des eaux usées sont mis en place. Dans certaines conditions où une eau usée de haute qualité issue de l’usine se justifie, une combinaison de différentes fonctions internes de l’usine, associée à un stockage en zone humide et à un traitement sur filtres à mailles, peut constituer l’option optimale. Bien entendu, il n’est pas possible de comparer les alternatives tant que les coûts correspondants n’ont pas été établis.

Stockage temporaire des eaux usées avec rejet continu ou programmé

Si le rejet à partir d’un bassin est continu, l’eau usée se décompose biologiquement à des degrés divers selon sa durée de séjour dans le bassin. Un rejet intermittent ou programmé peut profiter de périodes de turbulence ou d’autres conditions favorables au rejet des eaux usées. Comme le rejet programmé nécessite une période de stockage des eaux usées, l’action biodégradable biologique sera certainement possible. Les bassins sont très importants dans cette industrie.

Stockage de l’ensemble des eaux usées, plus évaporation et drainage

Lorsqu’un terrain est disponible, de grandes zones humides peuvent être utilisées pour retenir les eaux usées des sucreries de betterave. Les excédents d’eaux usées sont compensés au cours de l’année par l’évaporation et le drainage souterrain pendant la période d’accumulation. La décomposition de la matière organique se produit également, ce qui peut parfois provoquer des nuisances odorantes. La principale limite pratique de cette méthode d’élimination est généralement le coût des très grandes surfaces nécessaires pour contenir complètement les eaux usées.

Épandage des eaux usées sur le sol

En Allemagne, par exemple, une expérience a consisté en un système permanent de conduites souterraines. Le coût des installations de ce type dépend évidemment fortement des caractéristiques du terrain, de la distance à parcourir, des coûts d’électricité, etc. D’autres expériences allemandes ont consisté en des bassins combinés où se déroule une fermentation, associés à une irrigation par aspersion très importante. On dit que l’eau rejetée de ces parcelles contient une DBO résiduelle relativement faible. Un problème potentiellement difficile apparaît : pour éviter des conditions anaérobies indésirables dans les bassins de fermentation, le processus doit être contrôlé chimiquement avec beaucoup de prudence.

Une expérience intéressante d’élimination des eaux usées de betterave sur des terres étendues dans ce pays a consisté en un flux liquide supérieur à 2 400 gallons par tonne de betterave transformée, épandu sur des prairies proches du site de traitement. Ce flux présentait un débit de 4,3 pieds cubes par seconde avec une DBO moyenne de 483 ppm. De ce volume, 3,5 pieds cubes par seconde, avec une DBO moyenne de 158 ppm, ont été renvoyés au bassin de rejet comme eaux usées après un temps moyen de rétention de 14 heures dans la prairie. L’opération sur le terrain a permis une réduction de 73% de la DBO et l’élimination de plus de 99% des matières en suspension.

Expériences industrielles dans l’utilisation des charges polluantes

En Allemagne, le rejet des eaux usées des usines vers les réseaux d’assainissement publics et leur traitement ultérieur dans les stations municipales semble courant. Lorsqu’elles sont mélangées aux eaux domestiques et probablement à d’autres eaux usées industrielles, de tels traitements paraissent tout à fait réalisables et probablement plus économiques.

Aux États-Unis, en revanche, la seule manière possible de contrôler les eaux usées est souvent la zone humide, car les usines sont généralement situées en dehors des villes. Dans certains cas, les matières solides résiduelles, comme la pulpe de betterave dans l’eau de consolidation et l’eau du canal de transport des betteraves, sont également dirigées vers des zones humides. Le stockage de l’ensemble du flux d’eaux usées dans une sucrerie de betterave exige de très grandes capacités. Par exemple, une ligne de production traitant 2 000 tonnes de betteraves par jour, avec une consommation totale d’eau de 5 000 gallons par tonne de betterave transformée, nécessiterait, en l’absence de recirculation, 1 500 acres-pieds de stockage pour une durée de rétention de six semaines, et environ 4 000 acres-pieds pour disposer des eaux usées de 100 jours d’exploitation complète.

Les eaux usées autres que la boue de gâteau de chaux et les eaux usées Steffen sont parfois stockées dans des bassins humides distincts comme étape intermédiaire d’un procédé de recirculation. L’eau des bassins est ensuite prélevée pour les eaux du canal de transport des betteraves, l’eau du condenseur et certains usages de lavage qui ne nécessitent pas une qualité élevée (Lof & Kneese, 2016).

Eau et eaux usées dans les usines des États-Unis

Des informations détaillées sur la consommation d’eau dans l’industrie sucrière de betterave ont été obtenues en distribuant deux questionnaires à 12 entreprises de production de betterave sucrière aux États-Unis. Ces entreprises alimentent chaque année 58 sucreries, pour lesquelles des données courantes ont été demandées, et elles ont enregistré l’ensemble des informations relatives au sucre produit à partir de la betterave aux États-Unis cette année-là (Lof & Kneese, 2016).

Questionnaire

Le premier exemple est un modèle distribué en 1960 par le comité technique national chargé des eaux usées industrielles à l’ensemble des producteurs aux États-Unis. Des modifications et des ajouts ont été apportés afin de permettre la collecte d’informations plus précises sur cette industrie particulière.

Les informations principales demandées comprenaient : le tonnage de betteraves, le prélèvement d’eau, les détails relatifs à la recirculation de l’eau, les procédés de traitement de l’eau et des eaux usées ainsi que leurs coûts, les quantités et la qualité des rejets, la composition de l’eau brute et des eaux usées avant et après traitement, la source d’approvisionnement en eau, les espèces utilisées, la réutilisation et la recirculation, les projets de construction de nouvelles installations d’eau et d’eaux usées, l’évacuation des eaux usées autrement que par rejet dans les cours d’eau, ainsi que la réduction de la production d’eaux usées par recirculation.

Des informations spécifiques sur les nouveaux procédés de recirculation de l’eau et sur la manière de gérer les eaux usées dans différents types de bassins ont également été demandées. Les réponses au questionnaire ont fourni, pour l’ensemble des usines, des données sur le prélèvement d’eau, le tonnage de betteraves, la production de sucre, la qualité de l’eau recirculée et les procédés de traitement des eaux usées utilisés.

Dans la plupart des cas, les données portaient aussi sur les coûts d’investissement et les coûts d’exploitation des procédés de prélèvement d’eau traitée consommée, lorsque cela était nécessaire, ainsi que sur les procédés de traitement des eaux usées, lorsqu’ils étaient utilisés. Les données concernant la recirculation de l’eau dans de nombreuses usines n’étaient pas entièrement cohérentes, probablement en raison de différences d’interprétation du questionnaire par les répondants. Les données relatives à la composition des eaux résiduaires étaient sensiblement plus complètes que les autres informations fournies. Certaines usines semblaient avoir peu d’informations à ce sujet. D’autres disposaient d’analyses de tendances et de flux de sortie de l’usine concernant la DBO, les matières en suspension et les solides totaux (Lof & Kneese, 2016).

Prélèvement ou consommation d’eau

Les sucreries de betterave examinées ont une capacité journalière allant de 1 100 tonnes de betteraves à 6 700 tonnes. La capacité nominale moyenne est d’environ 2 700 tonnes par jour. Comme beaucoup d’usines se situent dans cette même plage de taille, nous prenons une usine de 2 700 tonnes comme référence et utilisons ce terme dans l’interprétation qui suit.

Le tonnage annuel couvre une plage plus large en raison des variations climatiques selon les régions du pays et de la prolongation de la période de production, ou campagne. Ainsi, le tonnage annuel minimal d’une ligne de production est d’environ 94 000 tonnes, et le maximum d’environ 1 060 000 tonnes. La production annuelle moyenne est d’environ 325 000 tonnes de betteraves, dont on obtient généralement 40 000 à 50 000 tonnes de sucre. Ainsi, une tonne de betteraves permet d’obtenir environ 0,12 à 0,15 tonne de sucre.

Les variations du tonnage annuel de betteraves traitées par une usine à capacité journalière constante sont principalement dues aux différences de récolte d’une année à l’autre. Ces différences résultent elles-mêmes surtout de la variabilité climatique et, dans une moindre mesure, de l’évolution des surfaces cultivées. Une variation annuelle d’environ 20% du tonnage de betteraves est généralement observée.

Le tonnage annuel bien plus élevé des usines californiennes, par rapport aux usines des autres États, s’explique par deux récoltes de betteraves par an dans cet État. Les fluctuations du rendement en sucre par tonne de betteraves dépendent elles aussi du climat. En général, un ensoleillement plus important et un temps automnal chaud augmentent la teneur en sucre des betteraves, tandis que des conditions humides et nuageuses, ou un gel précoce, réduisent le rendement en sucre.

Avec des betteraves de bonne qualité, la part de sucre extraite et récupérée pour la vente reste relativement stable d’une usine à l’autre et d’une année à l’autre. En revanche, la détérioration des betteraves due à un stockage prolongé, à des dommages physiques excessifs ou à des défaillances ponctuelles du procédé s’accompagne d’une baisse du rendement. D’une année à l’autre, ces facteurs ont un effet combiné pouvant atteindre 15% sur la quantité de sucre produite à partir d’une tonne de betteraves dans une usine donnée de 2 700 tonnes.

Entre usines d’un même type (c’est-à-dire non Steffen), une variation supplémentaire de 15 à 20% du rendement de la betterave peut exister, principalement en raison des différences régionales de teneur en sucre des betteraves. Bien que la récupération du sucre dans la section Steffen soit généralement d’environ 10% supérieure à celle des sections non Steffen, il semble que la différence systématique d’efficacité de production, c’est-à-dire le rendement en sucre par unité de betterave, soit très faible du fait des autres variables de production, comme la capacité nominale de l’usine, la durée d’exploitation de l’installation et le procédé de fabrication.

Le prélèvement d’eau par usine couvre une très large plage, allant d’un minimum de 430 000 gallons par jour dans une usine à un maximum de 13 millions de gallons par jour. Le prélèvement moyen pour l’ensemble du secteur est de 6,4 millions de gallons par jour et par usine. Rapporté à la tonne de betterave, il varie de 270 gallons à 5 250 gallons ; l’usine type de 2 700 tonnes par jour prélève 2 600 gallons par tonne de betterave transformée. Si l’on divise le prélèvement total de toutes les usines par la quantité totale de betteraves transformées, on obtient 2 360 gallons par tonne. Le prélèvement moyen d’eau correspond donc à environ 18 000 gallons par tonne de sucre produit, soit 9 gallons par livre.

La consommation totale typique d’eau, y compris la recirculation, est d’environ 4 100 gallons par tonne de betterave. Un investissement accru dans les équipements d’utilisation de l’eau permettrait de compenser les pénuries d’eau. Afin de s’assurer des causes principales des fortes variations de prélèvement, de consommation brute totale et de recirculation de l’eau, les effets des différentes composantes de l’usine de sucre de betterave sur l’utilisation de l’eau ont été évalués par deux méthodes, dont les résultats sont présentés dans les tableaux 5a et 5b.

Le tableau 2-5 repose sur les résultats d’une analyse de régression multiple appliquée aux données du questionnaire. Le tableau 2-6 rassemble des résultats qualitatifs tirés des caractéristiques générales du procédé utilisé dans la production de sucre de betterave. La moyenne en Californie, par exemple, est d’environ 1 300 gallons par tonne, et dans l’Idaho de 2 450 gallons. Dans le Midwest, incluant l’Ohio, le Michigan, le Minnesota et l’Iowa, la moyenne est d’environ 2 200 gallons par tonne. Les opérations les plus importantes se situent dans les États montagneux, où le prélèvement moyen est d’environ 3 150 gallons par tonne de betteraves.

Ces différences reflètent les variations des cycles de l’eau et des méthodes de conservation dans l’industrie, elles-mêmes principalement dues aux restrictions de rejet des eaux usées dans les différents États (Lof & Kneese, 2016).

Prélèvement, consommation totale et recirculation de l’eau

Dans le questionnaire complémentaire, des données ont été demandées pour comparer les niveaux de prélèvement entre 1949 et 1962. Dans la plupart des usines, le tonnage journalier de betteraves a augmenté, tandis que le prélèvement journalier d’eau a augmenté ou diminué de manière plus limitée selon les cas. Pour l’ensemble du secteur( sur 58 usines en 1962 et 43 des mêmes usines en 1949) le prélèvement moyen d’eau était d’environ 3 180 gallons par tonne de betteraves en 1949, contre 2 360 gallons en 1962. Cela correspond à une réduction d’environ 25% de la consommation d’eau par tonne de betteraves (Lof & Kneese, 2016).

Les résultats des différentes régressions présentés dans le tableau 5a montrent aussi une relation significative entre, d’une part, la taille de l’usine et son ancienneté, et d’autre part, le prélèvement d’eau par tonne de betteraves. Plus l’usine est récente et plus elle est grande, plus la consommation d’eau par tonne de betteraves est faible. Cela s’explique clairement par l’importance croissante de l’eau, par la conception moderne des systèmes de traitement des eaux usées dans les sucreries de betterave, et par certains critères économiques liés à la construction et à l’exploitation permettant le transfert de l’eau (Lof & Kneese, 2016).

Consommation brute totale d’eau

La consommation brute totale d’eau correspond à la somme de toutes les quantités fournies à l’ensemble des procédés de l’usine, plus l’ensemble des recirculations. Le prélèvement d’eau peut varier fortement d’une usine à l’autre, surtout à cause des différences de recirculation. Dans la production de sucre de betterave, la consommation totale est supérieure au prélèvement initial. La variabilité dépend des capacités de l’usine à utiliser l’eau et, dans une moindre mesure, des différences de conception et d’exploitation.

Le taux de consommation totale varie de 2 080 gallons par tonne de betteraves à un maximum de 8 650 gallons, avec une moyenne d’environ 4 100 gallons par tonne. Le principal facteur expliquant ces variations est l’utilisation d’eau pour le transport et le lavage des betteraves. Le tableau 2-6 montre qu’il n’existe pas de différence statistiquement significative dans la consommation brute totale d’eau entre les usines utilisant des diffuseurs continus et celles appliquant le procédé Steffen. Les usines qui utilisent des zones humides pour l’évacuation des eaux usées ont besoin de moins d’eau au total que les autres, et, en général, les usines californiennes affichent une consommation totale plus faible.

L’absence de dépendance nette de la consommation totale à la taille de l’usine s’explique par la similitude des procédés employés et par les volumes élevés d’eau nécessaires dans les installations de toutes tailles. Les variations saisonnières de la consommation totale d’eau, présentées dans le tableau 2-7, sont surtout dues à des différences dans la qualité de la matière première brute, c’est-à-dire aux matières étrangères comme la terre et les déchets à laver sur les betteraves, ainsi qu’à la température de l’eau du condenseur, qui influence la baisse de consommation (Lof & Kneese, 2016).

Recirculation de l’eau

Au départ, un prélèvement supplémentaire d’eau était nécessaire lorsque l’usine ne pratiquait pas la recirculation. Deuxièmement, la qualité de l’eau recirculée varie selon qu’elle est traitée ou non. Dans quelques cas, des contradictions existaient dans les données, mais la plupart des répondants ont indiqué que la quantité totale d’eau recirculée, traitée ou non, correspondait à l’eau supplémentaire qui aurait été nécessaire sans recirculation.

Comme prévu, les valeurs de recirculation couvrent une large plage. La moyenne pour l’ensemble de l’industrie, y compris les usines ne pratiquant pas la recirculation, était de 4,7 millions de gallons par jour. En la comparant au prélèvement moyen de 6,4 millions de gallons par jour, on constate que l’usine moyenne prélève environ 60% d’eau neuve et recircule environ 40%. La recirculation varie de zéro, pour les usines utilisant l’eau prélevée pour tous les usages, à environ 85% de la consommation brute totale, et parfois jusqu’à 90% dans certains cas.

Il semble exister une faible relation directe entre recirculation et consommation brute totale. En revanche, la consommation totale est relativement plus homogène, tandis que la recirculation et le prélèvement sont fortement corrélés l’un à l’autre. Les données de recirculation montrent aussi de fortes différences dans le traitement de l’eau. Dans certains cas, une partie de l’eau est traitée et le reste est recirculé sans traitement. En général, l’eau du condenseur est réutilisée sans traitement pour le canal de transport et le lavage des betteraves. Lorsque l’eau du canal est recirculée, elle est généralement soumise à un simple traitement par dégrillage et, dans certains cas, par décantation et sédimentation. Mais plus la recirculation est complète, plus le traitement devient complexe. L’eau sous pression peut être filtrée avant d’être recirculée dans différents diffuseurs. D’autres différences de traitement du flux d’eau avant recirculation sont également observables (Lof & Kneese, 2016).

Sources d’eau et traitement

Les informations relatives aux sources d’eau de chaque usine ont été recueillies dans le questionnaire, qu’il s’agisse de puits, de rivières, de lacs ou encore de sources municipales, d’entreprises publiques ou privées. La plus grande source d’approvisionnement en eau, de loin, était la rivière, mais près d’un tiers de l’eau des usines provenait de puits, généralement exploités par l’entreprise elle-même.

De nombreuses usines utilisent uniquement l’eau de rivière, avec un traitement par tamisage et décantation. Au moins une partie de cette eau est aussi adoucie, notamment pour les chaudières, et chlorée, notamment pour l’eau utilisée dans l’extraction du sucre. Beaucoup d’usines utilisent l’eau de rivière comme source principale et recourent aussi à une petite quantité d’eau municipale traitée pour certaines opérations, y compris celles liées directement au sucre. Comme cette source est déjà potable, un traitement supplémentaire important n’est généralement pas nécessaire dans l’usine.

Les données limitées fournies par certains répondants indiquent que l’eau brute utilisée dans l’usine possède souvent une bonne qualité avant traitement. La DBO mesurée dans de nombreux échantillons de rivière se situait entre 10 et 8 ppm, ce qui est négligeable par rapport aux eaux usées des sucreries. La plupart des solides sont dissous, avec des matières en suspension dans une plage d’environ 26 ppm. La plupart des sources d’eau souterraine nécessitent peu de traitement, mais la décantation, l’adoucissement et parfois la chloration sont utilisés dans certaines usines alimentées par des puits.

Les coûts de traitement de l’eau prélevée varient d’une entreprise à l’autre. Une partie de cette différence est liée aux procédés eux-mêmes. Certaines usines n’effectuent aucun traitement, tandis que d’autres traitent largement une eau de rivière boueuse et polluée. Le coût d’investissement des équipements de traitement de l’eau varie de zéro à 50 000 dollars, la plupart des dépenses pour les équipements de décantation, de tamisage et d’adoucissement se situant entre 5 000 et 15 000 dollars. Les coûts d’exploitation sur quatre ans, hors coûts en capital, varient de quelques centaines à quelques milliers de dollars, avec une moyenne d’environ 2 000 dollars.

Le traitement de l’eau n’est donc généralement pas une dépense importante dans la production de sucre de betterave. Il est plus pertinent de comparer ces coûts à ceux de l’ensemble de l’usine. L’investissement d’une usine neuve est d’environ 4 millions de dollars de capacité par tonne de betteraves traitée par jour. Une usine typique de 2 700 tonnes nécessite donc un investissement légèrement supérieur à 10 millions de dollars. Les équipements de traitement de l’eau, à 15 000 dollars, ne représentent que 0,15% de l’investissement total de l’usine.

Les coûts d’exploitation annuels, hors coût de la betterave, sont d’environ 1 million de dollars pour une usine de 2 700 tonnes. Un coût annuel de traitement de l’eau de 2 000 dollars ne représente donc qu’environ 0,2% des dépenses d’exploitation. L’approvisionnement en betteraves pour l’usine coûte environ 4 millions de dollars. Ainsi, le traitement de l’eau ne représente qu’environ 0,04% des coûts annuels, hors coûts en capital.

Le lien précis entre coûts de traitement de l’eau et qualité de l’eau utilisée n’apparaît pas clairement dans les données. Mais une chose est sûre : les éléments du prélèvement d’eau qui génèrent des problèmes et des coûts dépendent du rejet des flux. Les caractéristiques qualitatives de l’eau sont importantes pour l’industrie sucrière de betterave, surtout lorsqu’elle n’est pas encore affectée par des rejets d’eaux usées municipaux. Si le rejet des eaux usées devait aggraver la salinité, la dureté ou les matières en suspension dans les ressources en eau de la région de production du sucre, un petit gain économique pourrait alors être attribué à l’industrie grâce au contrôle des rejets (Lof & Kneese, 2016).

Perte d’eau

L’estimation des pertes d’eau repose sur l’hypothèse que les eaux usées rejetées arrivent à une température proche de celle du flux reçu, puis sont refroidies dans l’usine, au moyen de bassins ou de tours de refroidissement, au niveau de la température de l’eau du condenseur. Si les eaux usées sont rejetées à une température élevée, cela entraîne un gaspillage important d’eau dans l’usine, mais la majeure partie de la perte se produit alors dans le cours d’eau. Cela vient du fait que, dans les deux cas, le refroidissement s’effectue en partie par évaporation.

Les meilleures observations montrent que la perte totale d’eau est approximativement liée au refroidissement dans l’usine ou dans le cours d’eau. L’évaporation de l’eau dans les différents procédés est généralement supérieure au volume d’eau entrant avec les betteraves ; c’est pourquoi une légère réduction du flux d’eau avant traitement des eaux usées se produit. Toutes les usines utilisent des bassins de décantation et certaines de grandes zones humides de retenue, ce qui provoque des pertes supplémentaires dues à l’évaporation dans l’atmosphère.

Les estimations antérieures aux États-Unis évaluent en moyenne à 200 gallons par tonne de betteraves la diminution liée aux pertes, ce qui représente l’évaporation totale dans l’usine, dans les bassins et dans les drains souterrains. Sur cette base, dans une usine de 2 700 tonnes, 0,54 million de gallons d’eau prélevée sont perdus par jour sous forme d’évaporation, et pour l’ensemble de l’industrie cela représente environ 32 millions de gallons par jour. Les données relatives aux pertes d’eau liées aux bassins et aux zones humides des sucreries de betterave ne suffisent pas pour évaluer correctement ces valeurs globales. Elles sont encore moins utiles pour distinguer le drainage souterrain, qui apparaît généralement à l’aval, de l’évaporation, qui n’est pas récupérable ailleurs.

Cependant, à partir de données partielles sur les bassins, il est possible d’estimer certaines pertes par évaporation. Des informations sur les débits d’entrée et de sortie des bassins et zones humides de certaines usines permettent aussi d’estimer conjointement l’évaporation et le drainage souterrain. La surface totale déclarée des bassins d’eau, pour 25 usines d’une capacité journalière combinée de 71 800 tonnes de betteraves, est de 2 350 acres. En estimant une évaporation moyenne de 3 pouces par mois pendant la saison d’automne, la perte totale due à l’évaporation de ces bassins devrait être d’environ 6 millions de gallons par jour, soit en moyenne près de 100 gallons par tonne de betteraves (Lof & Kneese, 2016).

Eaux usées

Comme indiqué précédemment, les différentes étapes du procédé de production génèrent des effluents liquides, et ces eaux usées de procédé présentent donc des compositions variées. Les quantités d’eaux usées demandées dans le questionnaire concernaient les volumes liquides rejetés vers les cours d’eau et autres récepteurs, répartis entre eaux traitées et non traitées.

La méthode expérimentale la plus courante consiste à rejeter directement une partie des eaux usées dans les rivières sans traitement, tandis que la plus grande partie du reste est retenue dans un bassin de décantation servant au stockage temporaire, à la sédimentation, puis au rejet vers le cours d’eau. Les eaux usées contenant les concentrations les plus élevées de déchets, comme la boue de chaux et le filtrat Steffen, qui n’est pas envoyé vers une autre usine pour un traitement ultérieur, se déposent généralement dans un bassin de décantation, tandis que l’eau du condenseur est en général rejetée directement sans traitement lorsqu’il n’y a pas de recirculation.

En moyenne, environ 32% du volume total des eaux usées des usines est rejeté sans traitement. Le reste est généralement, dans quarante-quatre usines, tamisé et au moins partiellement stocké dans un bassin de rétention. Dans quelques usines, toutes les eaux usées sont retenues dans un bassin pendant des périodes courtes ou longues. Les déchets liquides traités, comme la boue de gâteau de chaux, ont un volume relativement faible mais transportent en général une très forte charge de DBO et de matières en suspension.

La DBO nominale des eaux usées de l’usine avant traitement, mais après les processus internes de recirculation et de récupération, varie de 20 000 livres par jour à près de 100 000 livres par jour, avec une moyenne d’environ 40 000 livres pour une usine typique. Le rejet de DBO après traitement en bassin se situe entre environ 5 000 et 30 000 livres, avec une moyenne d’environ 15 000. Les valeurs de solides totaux avant traitement varient de 200 000 à environ 800 000 livres par jour, dont 70 à 90% sont des matières en suspension insolubles, puis elles diminuent après traitement jusqu’à des valeurs comprises entre zéro et 200 000 livres par jour.

Les matières en suspension présentes dans les eaux usées brutes se situent entre 150 000 et 700 000 livres par jour. Après traitement par décantation, les matières en suspension sont généralement rejetées à moins de quelques milliers de livres par jour, avec des valeurs allant de zéro à 140 000, et une valeur typique d’environ 200 000. Rapporté à la tonne de betteraves, le BOD moyen est d’environ 15 livres avant traitement et de 5 à 6 livres après traitement. Les matières en suspension sont de 50 à 200 livres avant traitement et de zéro à 50 livres après traitement.

Selon les statistiques des services de santé publique des États-Unis, une usine typique de 2 700 tonnes, si elle ne recourt à aucun traitement des eaux usées, rejette une DBO équivalente à celle de 240 000 personnes, avec une variation allant d’une demi à deux fois et demie ce chiffre. Après traitement, la DBO finale des eaux usées des sucreries de betterave, grâce à la filtration et à des bassins de décantation efficaces, se situe entre l’équivalent de 30 000 et 175 000 personnes, avec une valeur moyenne de 90 000 personnes.

Les matières en suspension d’une usine type de 2 700 tonnes, équipée de bassins de décantation de plusieurs acres, correspondent généralement à environ 3 000 à 10 000 livres par jour de DBO. Le tableau 6 présente les valeurs relatives de DBO des eaux usées rejetées, exprimées en livres par tonne de betteraves, à chaque étape du procédé (tirées du tableau 2-4), pour des usines utilisant différents niveaux d’amélioration des procédés, de techniques de recirculation et de mesures efficaces de traitement des eaux usées (Lof & Kneese, 2016).

La plupart des usines rejettent leurs eaux usées dans les rivières, quelques-unes dans les lacs et les estuaires, et deux ou trois seulement dans les réseaux d’assainissement urbains. Certaines usines ne rejettent pratiquement aucune eau usée dans les eaux de surface : elles disposent de grands bassins qui reçoivent et retiennent l’ensemble des eaux liquides produites pendant la période d’accumulation. Dans ces cas, la recirculation réduit fortement le volume des eaux usées. L’évaporation et le drainage, sur l’ensemble de l’année, éliminent toutes les pollutions, à condition que le drainage ne contamine pas les nappes phréatiques.

À l’échelle nationale, un tonnage journalier d’environ 160 000 tonnes de betteraves, en supposant que toutes les usines fonctionnent simultanément, génère environ 800 000 livres de DBO et 3 millions de livres de matières en suspension par jour dans les eaux usées finales. La DBO équivaut à la charge produite par une population d’environ 5 millions de personnes. Le tableau 7 décrit la situation générale de la production et du rejet de DBO aux États-Unis, et montre aussi les procédés industriels qui créent les différents flux d’eaux usées.

Au fil des années, la teneur en sucre des betteraves a fortement varié, en raison des conditions climatiques, mais la tendance générale a été à la hausse. En conséquence, le rendement en sucre par tonne de betteraves transformées a lui aussi augmenté. De plus, l’introduction des diffuseurs continus et la réutilisation accrue de certains flux d’eau sucrée auparavant perdus ont permis d’augmenter le rendement moyen de production du sucre.

Ces évolutions du rendement en sucre sont directement responsables d’une partie de la réduction des volumes d’eaux usées. Ainsi, la quantité d’eaux usées par tonne de sucre produite a légèrement diminué. Les progrès des procédés visant à récupérer davantage de sucre ont eu un effet important sur la réduction des pertes de sucre dans les flux d’eaux usées par tonne de betteraves, ainsi que sur le tonnage de produit final (Lof & Kneese, 2016).

Les totaux identifiés comme « élimination totale de la DBO » sont présentés ci-dessous.

L’estimation de la DBO totale éliminée par les améliorations des procédés de production peut sembler incomplète, car les données disponibles sont partielles. Elle repose toutefois sur les chiffres de production de 58 usines en 1962, dont 56 étaient déjà en service en 1949. En outre, les chiffres de 1949 ne concernent que 56 des 82 usines exploitées cette année-là, et ne couvrent que 113 000 tonnes sur 150 000 tonnes de capacité journalière de traitement.

Si l’on suppose que les autres usines disposaient de méthodes de contrôle de la DBO des eaux usées comparables à celles des 56 usines ici prises en compte, le tableau ci-dessus peut constituer une bonne base de référence pour le contrôle de la DBO dans notre usine type de 2 700 tonnes.

Résultats européens et réduction de la DBO

Les résultats obtenus en Europe indiquent une DBO rejetée légèrement plus faible qu’aux États-Unis. Pour les usines américaines qui utilisent peu ou pas de traitement des eaux usées et qui ne disposent pas de systèmes plus complexes de recyclage des effluents et de recirculation de l’eau, la DBO peut être deux à trois fois plus élevée, et les matières en suspension dix fois plus importantes. On peut donc conclure que projeter ces anciennes valeurs dans l’avenir, sans tenir compte des progrès techniques et des pratiques de réduction des eaux usées constamment développés dans l’industrie, conduirait à surestimer fortement les charges polluantes industrielles (Lof & Kneese, 2016).

Réduction des eaux usées par recirculation

Plusieurs questions du questionnaire portaient sur la réduction des rejets d’eaux usées pouvant résulter de la recirculation de l’eau dans l’usine. En général, les réponses étaient exprimées en diminution de la DBO, en livres par jour. Il est clair qu’une recirculation partielle des flux d’eau réduit le volume d’eau rejeté par l’usine, mais ne réduit pas nécessairement la quantité de matières polluantes, sauf si des procédés d’élimination ou de récupération sont utilisés dans le système de recirculation.

Une estimation des réductions liées aux rejets d’eaux usées associés à la recirculation peut être faite pour la filtration et la décantation de l’eau du canal et de l’eau de lavage des betteraves avant leur recirculation. Comme dans plusieurs procédés de traitement, cela pose le problème du rejet des matières solides dissoutes dans les eaux usées.

Un exemple de réduction des eaux usées par recirculation, combiné à une modification du procédé, est l’élimination des eaux usées de la pulpe de betterave consolidée après le filtre, en les recirculant entièrement vers les diffuseurs continus, ce qui couvre largement cette partie du procédé. La recirculation devient possible grâce à l’adaptation de ce nouveau procédé à l’utilisation d’une eau qui contient déjà des matières en suspension provenant du drainage antérieur de la pulpe extraite. Presque toute l’eau de drainage de la pulpe peut être réutilisée.

La recirculation complète de l’eau du canal de transport et de lavage des betteraves, comme cela est pratiqué au moins dans deux usines, est presque aussi efficace pour réduire la DBO du procédé. Ce flux transporte normalement environ 4 à 5 livres de DBO par tonne de betteraves, soit environ 12 000 livres de DBO dans une usine type de 2 700 tonnes. Si l’eau du condenseur est également entièrement recirculée, 0,7 livre supplémentaire de DBO est éliminée. La recirculation de l’eau de drainage du gâteau de chaux depuis le bassin de décantation, au lieu de son rejet, permet d’éliminer 0,9 livre supplémentaire de DBO.

La combinaison d’une recirculation maximale avec le rejet des effluents Steffen, l’élimination de la boue de chaux extraite et la suppression des eaux usées de stockage peut ramener les rejets de l’usine à presque zéro. En cas de recirculation complète de ces quatre flux (eau du canal de transport et de lavage des betteraves, filtration de la pulpe consolidée, débordement de chaux et eau du condenseur) l’élimination des matières en suspension par sédimentation peut atteindre en moyenne environ 60 livres par tonne, soit 160 000 livres dans une usine de 2 700 tonnes, selon la quantité très variable de terre adhérant aux betteraves (Lof & Kneese, 1968/2016).

Réduction par tonne de betteraves

La DBO provenant des différentes opérations des sucreries peut être réduite par plusieurs méthodes de procédé et de gestion des eaux usées. On observe que le séchage de la pulpe de betterave et l’élimination des effluents Steffen abaissent les rejets de DBO à environ 40% de leur production initiale, et que la recirculation relativement simple de l’eau dans les diffuseurs continus permet une réduction supplémentaire d’environ 30%. La décantation de la boue de chaux réduit la DBO résiduelle rejetée de moitié, jusqu’à environ 6 livres par tonne de betteraves, soit 15% de la production finale. Ce niveau de réduction peut être atteint par des méthodes relativement simples et économiques, mais une réduction supplémentaire de la DBO des eaux usées exige un traitement étendu ou des systèmes de recirculation mieux conçus pour contrôler l’eau du canal de transport (Lof & Kneese, 2016).

Tendances de recirculation et de traitement

L’évolution technique de la production de sucre de betterave, en particulier au cours des vingt dernières années, a directement et indirectement réduit la consommation d’eau douce dans l’industrie, à la fois par tonne de betteraves et pour l’ensemble du secteur. Cela diminue à son tour les quantités d’eaux usées rejetées et, dans ce cadre, le volume de pollution associé.

Un des déchets les plus nuisibles de l’industrie sucrière de betterave est la pulpe de betterave drainée, issue des silos où la pulpe humide est stockée avant sa vente comme aliment pour animaux. Ce résidu contient environ 12,3 livres de DBO par tonne de betteraves transformées. Si la pulpe pouvait être vendue immédiatement, il n’y aurait pas besoin de stockage, et il n’y aurait donc pas de drainage des silos. Toutefois, l’incertitude liée à la demande immédiate et à la disponibilité à temps des moyens de transport impose généralement l’usage de silos de stockage pour la quasi-totalité de la pulpe humide. Un avantage économique, indépendant de la réduction de la pollution, pourrait exister dans le séchage de la pulpe, car si un marché proche existe pour la pulpe sèche, cette opération peut être plus rentable que la vente de pulpe humide à l’usine. L’ampleur du passage au produit sec dépend surtout de la mise en place d’un marché fiable, ce qui suppose à son tour des considérations de transport, le transport sur de longues distances étant en général peu économique. La restructuration des usines restantes peut être censée se poursuivre à un rythme régulier et raisonnable, et l’on peut prévoir que, dans cinq à dix ans, pratiquement toute la pulpe de betterave produite dans l’industrie sera vendue sous forme sèche (Lof & Kneese, 2016).

La pulpe sèche de betterave est un grand “consommateur” d’énergie, utilisant typiquement 98 kWh par tonne de betteraves. Le séchoir émet des COV et pollue l’atmosphère ; son odeur peut être détectée à 20 kilomètres et représente habituellement la moitié des émissions de COV de l’usine. Les émissions de poussières sont aussi très élevées et il est généralement impossible de les réduire au-dessous de la limite réglementaire. L’énergie de ce “consommateur” doit être convertie en énergie électrique. Le séchoir à vapeur peut devenir un “transformateur”, ce qui permet une récupération complète de l’énergie, l’énergie électrique consommée par le moteur principal étant récupérée sous forme de vapeur chaude pour les évaporateurs. Ainsi, on peut réaliser une économie d’énergie supérieure à 100% de l’énergie utilisée par le séchage tambour. La seule perte est la déperdition de chaleur à travers l’isolation de la cuve sous pression, qui est très faible. Dans l’exemple choisi, l’usine sucrière consomme 204 kWh par tonne de betteraves pour la production de sucre et 98 kWh par tonne pour le séchoir à pulpe, soit un total de 302 kWh par tonne de betteraves en combustible. Cette usine produit 25 kWh par tonne de betteraves d’électricité pour sa propre consommation. Elle pourrait produire davantage et vendre l’excédent au réseau public, mais dans la plupart des pays, compte tenu du coût du combustible et d’autres frais, cela n’est pas économiquement rentable. La production d’électricité est donc ajustée aux besoins de l’usine. 80% de la pulpe est séchée à la vapeur. La consommation moyenne de gaz est de 157 kWh par tonne de betteraves par semaine, ou 1100 kWh par tonne de sucre blanc, ce qui correspond à un sucre blanc contenant seulement 16,2% de betteraves. Avec une teneur en sucre plus élevée, la consommation par tonne de sucre blanc peut diminuer. Cela constitue probablement une réserve d’énergie à l’échelle mondiale. Néanmoins, il reste possible d’atteindre encore une économie supplémentaire, peut-être jusqu’à 140 kWh par tonne de betteraves. Cet objectif peut sembler ambitieux, mais il paraît réaliste au regard de l’expérience et de l’évolution historique des économies de combustible (Jensen & Morin, 2015).

Une turbine à gaz constitue une bonne solution pour fournir l’énergie très élevée nécessaire à l’installation, à l’exploitation, à la maintenance et à un fonctionnement plus efficace qu’un seul séchoir à vapeur pour tous les sécheurs de pulpe d’une usine sucrière. Son utilisation présente en outre l’avantage de réduire la pression dans la chaudière (Jensen & Morin, 2015).

Pour économiser l’énergie, il est utile de distinguer les étapes du procédé en “consommateurs” et en “transformateurs”. Les “consommateurs” doivent économiser autant d’énergie que possible, et les “transformateurs” doivent être propres, sans eux-mêmes polluer l’environnement. Le séchage de la pulpe de betterave est le principal “consommateur”. Il devrait être converti en “transformateur” sous la forme d’un “séchoir à vapeur”. Si la pulpe est traitée ainsi, il devient pratiquement impossible de réduire la consommation de combustible de l’usine en dessous de 240 kWh de combustible par tonne de betteraves. Les économies d’énergie dans l’usine réduisent la production d’électricité consommée, notamment par l’introduction d’un séchoir à vapeur, dont le gain est lié à l’ampleur des économies d’énergie réalisées (Jensen & Morin, 2015).

Processus des eaux usées Steffen

En 1943, quinze usines ont commencé à mettre en œuvre une opération de concentration destinée à éliminer les eaux usées Steffen, qui représentaient environ 550 000 livres de DBO par jour. Plusieurs sucreries ont transféré le Steffen concentré saturé vers une autre usine pour la production de glutamate. D’autres l’ont mélangé à la pulpe usagée et l’ont séché afin d’augmenter sa teneur en protéines pour l’alimentation animale. Cinq autres usines ont simplement arrêté l’opération Steffen et vendu la mélasse ou l’ont mélangée à des nutriments, éliminant ainsi environ 120 000 livres de DBO par jour, dont 75 000 livres depuis 1949.

Dans certaines usines, la mélasse est mélangée à la pulpe sèche de betterave afin d’obtenir un aliment du bétail à teneur plus élevée en glucides. Bien que le marché du glutamate monosodique, principal sous-produit des eaux usées Steffen, paraisse actuellement relativement stable, il existe une raison de penser que son usage croîtra progressivement. Cependant, un nouveau procédé de fermentation pour produire du glutamate monosodique, à partir d’une matière première totalement différente, a été introduit ; le coût de ces procédés influence donc la demande de CSF. Il semble improbable que l’usage du CSF pour la production de glutamate monosodique s’étende davantage. En revanche, l’utilisation du CSF comme additif pour la pulpe sèche devrait progressivement s’imposer dans les usines Steffen qui n’appliquent pas encore le procédé de concentration. Il paraît peu probable que les eaux usées Steffen disparaissent totalement du flux d’eaux usées des sucreries de betterave par un traitement ultérieur des sous-produits. Toutefois, il est probable qu’elles soient réduites à un niveau négligeable dans les cinq à dix prochaines années. Les effluents finaux dépendront bien sûr des bassins et des autres méthodes de gestion des eaux usées. Des politiques strictes de contrôle de la pollution pourraient encourager davantage le CSF et la production de sous-produits comme option la moins coûteuse parmi plusieurs alternatives (Lof & Kneese, 2016).

Recirculation de l’eau du condenseur

La recirculation de l’eau du condenseur, par des tours de refroidissement ou par aspersion dans des bassins, est très courante dans les industries chimiques, le raffinage du pétrole et le secteur électrique, mais elle n’a pas été largement adoptée dans les sucreries de betterave. L’eau du condenseur contient une faible concentration de DBO, environ 40 ppm, mais en raison de son volume important, elle joue un rôle majeur dans les rejets résiduels de l’industrie par dilution. Lorsque l’eau brute est rare, que les coûts de pompage sont élevés, ou qu’il faut éliminer des dépôts ou d’autres matières avant l’utilisation, la solution la plus économique consiste souvent à faire recirculer l’eau du condenseur à travers une tour de refroidissement ou un bassin d’aspersion.

Dans les climats humides, on utilise généralement des tours de refroidissement, tandis que dans les régions plus sèches on peut employer des bassins d’aspersion ou des lagunes de refroidissement. Seuls environ 10% du flux de circulation doivent alors provenir d’une source externe. Quelques usines utilisant cette méthode ont fortement réduit leur prélèvement d’eau. Il est intéressant de noter qu’une usine californienne utilisait l’eau du condenseur non pour la recirculation, mais pour réduire la pollution thermique du cours d’eau récepteur en la refroidissant. L’utilisation d’une tour de refroidissement pour l’eau du condenseur évite ainsi l’augmentation de la température de la rivière.

Le coût net de cette opération se situe autour de 1,5% par 1 000 gallons, soit approximativement 1,5% par tonne de betteraves ou 10 cents par tonne de sucre produite. Lorsqu’il ne fait ni chaud ni humide, un bassin ouvert peut fournir, s’il est correctement dimensionné, le refroidissement nécessaire. Bien que l’eau du condenseur ait la plus faible concentration de DBO parmi les eaux usées des sucreries de betterave, son impact polluant reste loin d’être négligeable. La DBO rejetée par ce flux semble atteindre environ 75 000 livres par jour aux États-Unis. C’est davantage que la DBO issue des effluents Steffen ou du débordement du bassin à chaux, et plusieurs fois plus que le drainage des silos.

Cependant, la forte dilution crée un problème majeur pour le rejet. Une recirculation plus complète, éventuellement associée à une aération, pourrait offrir une solution. Dans d’autres industries, quelques essais ont été menés pour utiliser les tours de refroidissement afin d’éliminer la DBO, sur le principe des filtres percolateurs. Avec des garnitures de tour en plastique de divers types, une croissance biologique peut se développer sur les surfaces et conduire à la dégradation oxydative de divers composés organiques dissous. Un succès partiel et limité a été obtenu pour le refroidissement et l’oxydation des effluents de raffineries contenant des phénols dissous, ainsi que pour les eaux usées d’aciéries et de papeteries. Les principaux problèmes concernent l’encrassement excessif du garnissage et la destruction des micro-organismes à cause de températures qui dépassent leur tolérance. Aucune tentative ne semble avoir été faite pour tester cette méthode avec l’eau du condenseur des sucreries de betterave, mais cela paraît possible. On peut prévoir que la recirculation de l’eau du condenseur augmentera, mais elle restera en concurrence avec une autre forme de réutilisation, décrite ci-dessous. Tant que le coût de l’eau brute, y compris les frais de traitement et de pompage, ne dépasse pas un à trois cents par 1 000 gallons dans certaines zones climatiques, la recirculation de l’eau du condenseur par tours de refroidissement ne progressera probablement que lentement. Ainsi, l’eau destinée à la concentration continuera probablement à représenter une part relativement importante du prélèvement dans l’industrie sucrière de betterave. Cette tendance pourrait être influencée par d’éventuelles restrictions sur les rejets de chaleur ou de DBO (Lof & Kneese, 2016).

Réutilisation de l’eau du condenseur pour le transport et le lavage des betteraves

Lorsque les usines n’envoient pas toute l’eau du condenseur au refroidissement et réalisent des économies d’eau, une méthode simple et économique consiste à réutiliser cette eau pour le transport et le lavage des betteraves. Cet avantage est encore plus important dans les usines où les betteraves sont entreposées à l’extérieur en hiver et où l’eau chaude du condenseur peut aider à faire fondre la glace. La faible teneur en sucre de l’eau du condenseur réutilisée peut parfois poser problème à cause de la fermentation, mais cela peut être contrôlé à faible coût par chloration. On s’attend donc à ce que l’industrie utilise davantage cette méthode d’économie d’eau dans les régions où la réduction de la consommation d’eau devient une priorité (Lof & Kneese, 2016).

Recirculation de l’eau des canaux de transport et de lavage

Environ un tiers des usines américaines recircule une partie de l’eau utilisée pour le transport et le lavage des betteraves. La plupart de ces usines pratiquent cette méthode depuis plus de quinze ans, mais au moins trois l’ont adoptée au cours des cinq dernières années. Dans la plupart des cas, l’eau provenant du canal de lavage transporte de grandes quantités de boue, de morceaux de betterave, de feuilles et d’autres résidus. Ces matières sont généralement retirées par filtration et sédimentation, dans des bassins de décantation ou des clarificateurs mécaniques, avant la recirculation. Une chloration peut aussi être utilisée pour réduire la fermentation des sucres dissous.

Comme déjà expliqué, plusieurs usines, au nombre de quatre, pratiquent une recirculation presque complète ; l’élimination de la DBO et des matières en suspension de l’eau du canal de transport et de lavage y atteint donc 100%. L’usage le plus courant parmi les vingt-six usines qui recirculent cette eau est le retour direct de l’eau au canal, sans traitement, dans dix-huit usines, sauf l’élimination du sable dans plusieurs d’entre elles. Une mise en bassin, principalement pour la décantation des solides, est pratiquée dans six usines, et des clarificateurs mécaniques sont utilisés dans deux usines. Dans la plupart des usines qui recyclent l’eau du canal sans traitement, les effluents finaux issus de cette opération sont ensuite stockés, comme indiqué plus loin.

On peut donc conclure qu’à l’heure actuelle, la recirculation de l’eau de lavage des betteraves n’a qu’un faible effet direct sur la réduction de la charge polluante rejetée et, par conséquent, sur la pollution des rivières. Son principal effet n’est pas le contrôle direct de la pollution, mais la réduction de la consommation d’eau et du volume total d’effluents finaux. Le prélèvement moyen pondéré d’eau neuve dans les vingt-deux usines qui pratiquent ce type de recirculation n’est que de 1 650 gallons par tonne de betteraves, contre 2 900 gallons pour les autres usines. Cette économie de 1 250 gallons par tonne, due surtout à la recirculation du canal d’eau dans ces 22 usines, représente 85 millions de gallons par jour pour cette partie de l’industrie. L’économie quotidienne totale dans les vingt-six usines qui recirculent ce flux est d’environ 100 millions de gallons.

En plus de l’économie de prélèvement, le volume des rejets d’eaux usées diminue. Indirectement, ces facteurs réduisent aussi la DBO moyenne et les rejets de matières en suspension dans la plupart des usines, car les bassins de décantation et les lagunes de stabilisation fonctionnent plus efficacement lorsque l’effluent du canal d’eau est recyclé. Une réduction moyenne d’environ 40% des eaux usées dans les usines qui utilisent la recirculation du canal d’eau augmente d’environ deux tiers le temps de séjour dans des bassins de capacité fixe. Un degré plus élevé d’élimination de la DBO et des matières en suspension en résulte. Dans une demi-douzaine d’usines utilisant une recirculation très poussée, de sorte que la consommation tombe en dessous de 1 000 gallons par tonne, des bassins de taille donnée assurent une élimination des eaux usées presque aussi efficace que des bassins trois fois plus grands dans les installations sans recirculation (Lof & Kneese, 2016).

Recirculation simultanée des flux de lavage, de canal et de condenseur

Il est possible, à certains coûts, de faire recirculer simultanément l’eau du condenseur ainsi que l’eau de lavage et de canal dans un cycle fermé. Cela peut se faire par retour séparé de chacun d’eux au système depuis le départ, ou par connexion des deux dans un système de recirculation intermédiaire. Dans les deux cas, des procédés de traitement intermédiaires — bassins ou autres — sont nécessaires pour refroidir l’eau du condenseur, éliminer les solides des eaux de lavage et contrôler les processus de dégradation afin d’éviter la contamination des équipements, la pollution de l’air et d’autres problèmes. Cette méthode peut éliminer tout rejet externe provenant des flux de condensation, de canal ou de lavage (Lof & Kneese, 2016).

Nouveaux procédés de traitement des eaux usées

Il ressort de l’évolution de l’industrie sucrière de betterave que plusieurs effluents et sources de pollution sont progressivement réduits et se ramènent à une seule eau usée issue du procédé, à savoir l’eau provenant du transport et du lavage des betteraves. La gestion de ce volume énorme, contenant de fortes charges de DBO et de matières en suspension, constitue le principal problème de rejet pour l’industrie. En raison de son volume élevé, le stockage en bassins est coûteux et n’est pas applicable partout. Comme ce flux est devenu le principal problème d’eaux usées de l’industrie, des efforts considérables ont été consacrés au développement de nouveaux procédés pour le gérer.

Un de ces procédés utilise un traitement par percolation, parfois employé dans les stations d’épuration municipales. Un succès limité a été obtenu à titre expérimental à petite échelle. Une autre technique testée est l’épandage sur de grandes parcelles légèrement inclinées, sur lesquelles poussent de l’herbe et d’autres plantes. La sédimentation des solides et une certaine oxydation de la DBO se produisent à mesure que la qualité de l’effluent s’améliore. Cette méthode se heurte à des limites similaires à celles du stockage en bassins, notamment la nécessité d’une grande surface et d’un terrain adéquat.

Un programme de recherche à l’Université de la Colombie-Britannique soutient le développement d’un procédé d’oxydation biologique pour traiter les eaux usées des canaux de transport et de lavage des betteraves. Les essais préliminaires ont montré que certaines espèces de bactéries du sol naturellement présentes dans les effluents peuvent réduire fortement la DBO. Si cette approche réussit, le stockage des eaux usées pourrait être réduit, avec des temps de rétention plus courts et une élimination complète des polluants.

Un autre procédé de traitement biologique, la boue activée, est également utilisé dans les stations d’épuration municipales. Une usine utilise actuellement cette méthode pour l’évacuation de ses eaux usées via la municipalité. Un développement plus poussé, spécifiquement adapté à la composition de ces effluents industriels, pourrait constituer une solution pratique dans certains cas. Toutefois, cette solution est compliquée par les difficultés de démarrage liées au caractère intermittent et à la durée relativement courte de la campagne betteravière.

Un autre système expérimental de traitement des eaux usées comprend une série de trois bassins profonds à profondeur décroissante, à travers lesquels les eaux de l’usine circulent successivement. La décomposition anaérobie se produit dans le premier bassin, le passage vers des conditions aérobies dans le second, et l’oxydation aérobie domine dans le troisième. L’essai pilote a finalement montré des progrès significatifs.

Ces procédés de traitement s’ajoutent à un système de recirculation déjà décrit, qui fonctionne en fait depuis plusieurs années dans une usine : la recirculation complète en circuit fermé de l’eau du canal et de l’eau de lavage. Dans cette usine particulière, les eaux de canal, de lavage et de condenseur sont combinées dans un seul système de recirculation. Bien qu’il y ait parfois des odeurs, cette pratique est globalement satisfaisante, et des versions améliorées pourraient être utiles dans d’autres usines. L’un des développements les plus prometteurs pour l’utilisation de l’eau des canaux et du lavage des betteraves est l’emploi d’une série de petits bassins profonds à partir desquels l’eau traitée est recyclée.

L’ajout de chaux, sous forme de suspension d’hydroxyde de calcium, juste avant la filtration et le stockage, favorise nettement la décantation des solides et élimine pratiquement la décomposition anaérobie. Le premier bassin a la forme d’un canal en U, d’environ 8 pieds de profondeur, 20 pieds de largeur et 1 200 pieds de longueur totale. La plupart des solides se déposent au fur et à mesure que l’eau le traverse, avec seulement environ 4 heures de rétention. La recirculation a été complète pendant toute la campagne, avec seulement de petits débordements vers un bassin d’effluents d’où il n’y avait aucun rejet. Les odeurs n’étaient pas excessives, et l’eau renvoyée à l’usine avait une qualité satisfaisante pour le transport et le lavage des betteraves. Une élimination moyenne d’environ 85% des matières en suspension a été obtenue, tandis que la DBO a augmenté progressivement jusqu’à environ 3 000 ppm, où elle s’est stabilisée pendant les six dernières semaines d’exploitation. L’investissement total dans cette installation de traitement( comprenant les tamis vibrants, l’alimentation en chaux, les bassins, les pompes et la tuyauterie )s’élevait à environ 165 000 dollars pour cette usine d’une capacité nominale de 2 200 tonnes par jour. Son succès a conduit à la décision d’installer un système similaire dans une usine de 3 400 tonnes par jour, pour un coût approximatif de 230 000 dollars. Il semble qu’environ 75 dollars d’investissement par tonne de capacité journalière soient nécessaires.

Il a été montré que la chaux joue un rôle essentiel dans l’efficacité de ce système, à la fois pour obtenir une décantation satisfaisante et pour éviter des conditions de pollution dans les bassins. Un pH d’environ 8 dans l’eau réutilisée pour le canal semble idéal, avec un besoin d’environ 3 livres de chaux par tonne de betteraves transformées. Avec un coût de la chaux de 0,75 cent par livre, un coût opérationnel de 0,63 cent par 1 000 gallons recirculés et des coûts de capital annuels de 10% de l’investissement, le coût total de la recirculation et de la réduction de la pollution associée serait d’environ 12 cents par tonne de betteraves transformées, soit environ un dollar par tonne de sucre produite (Lof & Kneese, 2016).

Coûts actuels du traitement de l’eau et des eaux usées

L’analyse des questionnaires a montré que le traitement des eaux brutes n’est pas un problème majeur dans l’industrie sucrière de betterave. En revanche, des coûts plus importants et plus significatifs ont été signalés pour le traitement des eaux usées. En l’absence de restrictions sur les rejets, les économies à long terme de l’industrie seraient d’environ 2 millions de dollars par an en dessous du niveau actuel de coûts.

Cette estimation repose sur plusieurs hypothèses : la pulpe est séchée, l’eau de procédé (eau de filtration de la pulpe consolidée) est recirculée, l’eau du condenseur est recyclée dans les canaux, et les eaux usées Steffen sont valorisées en sous-produits, tout cela pour des raisons de rentabilité interne. Cela signifie que seuls le traitement des eaux usées et la recirculation de l’eau des canaux peuvent être considérés comme de véritables coûts de contrôle de la pollution. On suppose aussi que, si l’on inclut la recirculation de l’eau des canaux, l’investissement d’environ 5,5 millions de dollars dans les équipements de traitement et 340 000 dollars de coûts d’exploitation seraient doublés. Avec une charge annuelle de capital de 10% (intérêts et amortissement), le coût total annuel serait légèrement supérieur à 2 millions de dollars.

Comparé à un revenu brut total d’environ 500 millions de dollars par an et à un coût total d’exploitation potentiel d’environ 450 millions de dollars par an, cela ne représente pas une charge majeure. De même, un investissement de 11 millions de dollars dans des installations de traitement et de recirculation des eaux usées reste faible par rapport au coût total de remplacement de toutes les usines du secteur, estimé à environ 750 millions de dollars. Le coût total du traitement et de la recirculation des eaux usées correspond donc à environ 10 cents par tonne de betteraves transformées.

En revanche, si l’élimination de presque toutes les eaux usées de betterave des eaux de surface devenait nécessaire, des investissements bien plus importants seraient requis. Les investissements déjà réalisés, relativement modestes, ont permis d’éliminer certaines des eaux usées les plus problématiques à un coût moyen raisonnable. Le grand volume d’eau des canaux et de lavage des betteraves, qui constitue désormais l’essentiel des effluents dans la plupart des usines, nécessiterait de nouvelles installations majeures. Il n’existe pas encore suffisamment d’informations pour prévoir les besoins d’une telle étape, mais le fait que certaines usines aient investi plus d’un demi-million de dollars dans des installations de traitement, probablement surtout des bassins, suggère qu’au moins 25 millions de dollars seraient nécessaires pour l’ensemble de l’industrie. Une autre estimation, fondée sur environ 750 000 dollars requis pour un système entièrement fermé dans une usine de 4 500 tonnes, conduit à environ 30 millions de dollars pour l’industrie.

Si l’on ajoute les plus grands coûts d’exploitation pour toutes les usines, le coût annuel total des eaux usées serait d’environ 2 millions de dollars. Avec les coûts fixes de capital, les coûts annuels totaux du traitement des eaux usées approcheraient 5 millions de dollars. Dans une industrie réalisant environ 35 millions de dollars de bénéfice annuel, cela représenterait une charge importante, qui réduirait fortement, sans l’annuler, le profit ou entraînerait une hausse du prix du sucre. Même si la production annuelle de sucre de betterave aux États-Unis est restée relativement stable pendant longtemps, elle pourrait augmenter modérément à l’avenir. La baisse des importations de sucre brut de canne, due à des troubles politiques internationaux, s’est déjà produite. Les producteurs et cultivateurs demandent une augmentation et un assouplissement des restrictions sur les superficies cultivées en betterave sucrière aux États-Unis. La croissance réelle des betteraves a récemment été freinée par le prix élevé des céréales et par l’utilisation des terres pour le blé.

Si l’interaction de ces facteurs conduit à une augmentation de la production de sucre de betterave, les prévisions de la demande totale en eau et des rejets d’eaux usées devront être ajustées en tenant compte des pratiques de recirculation. Il ne fait toutefois aucun doute que la réduction de l’eau et des eaux usées par tonne de betteraves utilisée compensera largement toute hausse raisonnable de la production. À terme, l’industrie verra sans doute diminuer ses besoins totaux de prélèvement d’eau et ses rejets d’effluents. Comme indiqué plus haut, il existe néanmoins de bonnes raisons de prévoir le développement de procédés de traitement des eaux usées plus économiques. Dans chaque région ou usine, un procédé de traitement adapté pourrait finir par être intégré à un coût bien inférieur à celui évoqué ci-dessus. On ne peut pas encore préciser avec certitude quelles techniques et quels coûts prévaudront, mais on peut affirmer que le problème est solvable et qu’il ne nécessite pas forcément une solution excessivement coûteuse (Lof & Kneese, 2016).

Conséquences économiques

Conclusion générale

Il existe une tendance nette et forte aux changements techniques dans la production de sucre de betterave afin de réduire les charges polluantes et les besoins en eau par unité de produit. Dans le même temps, ces changements ont eu peu d’effet sur la consommation brute totale d’eau ou sur les quantités utilisées par l’industrie. La plupart d’entre eux allaient plutôt dans le sens d’une augmentation de la recirculation de l’eau que du remplacement des procédés humides par des procédés secs. Les raisons de cette réduction de la consommation d’eau et des rejets sont diverses. Dans presque tous les cas, la nécessité de réduire les rejets d’eaux usées, associée à la possibilité croissante de le faire à coût relativement faible, a été ressentie. En réalité, certains procédés, comme le séchage de la pulpe, l’utilisation de diffuseurs continus avec recirculation de l’eau filtrée de la pulpe consolidée, et la valorisation des résidus de Steffen, sont devenus rentables, ou presque rentables du point de vue de l’économie interne de l’usine, c’est-à-dire en négligeant les coûts externes qu’ils évitent.

Dans tous les cas, il suffit d’un faible signal externe, sous forme d’une charge polluante ou d’une norme de rejet, pour inciter à utiliser ces méthodes, lesquelles éliminent à elles seules environ 70% de la DBO présente dans les eaux usées d’une usine sans recours à un procédé de récupération ou de traitement. Des aides financières au traitement des eaux usées industrielles, sous forme notamment d’allégements fiscaux, ont souvent été proposées au Congrès et ailleurs. Elles pourraient stimuler l’utilisation d’opérations de recirculation si elles visaient l’élimination préalable des déchets avant rejet, au moyen de dispositifs externes, y compris lorsque ceux-ci s’accompagnent de systèmes de recirculation, de modifications internes des procédés et de transformation des déchets en sous-produits. La même conclusion vaut pour d’autres grandes industries consommatrices d’eau et productrices d’eaux usées.

Il est clair que l’évolution technologique de la production de sucre de betterave au cours des dernières décennies a modifié de manière significative l’usage de l’eau et la nature des rejets dans l’industrie. Le problème n’est pas seulement d’utiliser au mieux les technologies existantes, mais aussi d’élaborer des politiques qui favorisent le développement de technologies économes en eau et réduisant les eaux usées. Le principal moteur économique de la réduction des eaux usées et des rejets thermiques par recirculation est la baisse du coût d’approvisionnement en eau douce. Comme la recirculation et la réutilisation interne réduisent les besoins en eau, elles réduisent aussi les coûts de traitement, de pompage et de stockage de l’eau douce. Les bénéfices externes, comme la réduction de la pollution, s’ajoutent donc aux économies internes ; la valeur totale doit ainsi être mise en balance avec le coût du système de recirculation.

Dans l’industrie sucrière de betterave, il n’existe aujourd’hui que trois flux d’eau porteurs d’eaux usées qui ne peuvent pas être évités par des techniques dont le coût est largement compensé par la récupération de produits de valeur ou par d’autres économies internes à l’usine. Il s’agit de la petite quantité de boue de chaux, très chargée en solides totaux et en DBO ; du grand volume d’eau du condenseur, qui contient une quantité importante de DBO et de chaleur ; et du flux volumineux d’eau des canaux de lavage, difficile et coûteux à traiter, également riche en solides totaux et en DBO (Lof & Kneese, 2016).

Contrôle de la boue de chaux

La boue de gâteau de chaux d’une usine type d’une capacité de 2 700 tonnes de betteraves par jour se compose d’un flux aqueux de 250 000 gallons contenant 17 500 livres de DBO stockée et 250 000 livres de matières en suspension. L’expérience aux États-Unis et à l’étranger montre qu’en général, la méthode la plus efficace pour gérer ce flux consiste à utiliser des bassins pour la décantation. Aucune des 58 usines du pays ne rejette ce flux sans une certaine décantation, que ce soit dans des bassins séparés ou en combinaison avec d’autres flux d’eaux usées. Vingt-trois usines disposent d’une capacité de stockage suffisante pour retenir l’ensemble de ce flux sans rejet externe.

Pour notre usine type, si l’on suppose 1 pied d’évaporation pendant la campagne d’automne, avec un drainage égal et une profondeur maximale d’eau de 3 pieds pour l’activité biologique, un bassin de 3 pieds de profondeur sur 15 acres serait nécessaire. Si des conditions anaérobies peuvent être tolérées, une évaporation plus élevée pendant l’année est possible. Avec 4 pieds d’évaporation et 4 pieds de drainage supposés, un bassin de 6 acres avec une profondeur d’environ 10 pieds suffirait. Ce niveau d’évaporation est courant dans les plaines du Colorado ou du Nebraska. Si l’on suppose une évaporation d’environ 1 pied pendant la période d’exploitation, comme au Michigan, et 1 pied de drainage, le bassin devrait mesurer 3 pieds de profondeur sur 18 acres.

Les coûts de construction, y compris les pompes et les tuyaux nécessaires, pour des bassins de cette taille se situent généralement entre 30 000 et 40 000 dollars. Le coût total du bassin varie selon les caractéristiques du terrain. Avec un coût du terrain de 1 000 dollars par acre, le coût total peut être de 10 000 à 15 000 dollars de plus que pour des bassins construits sur un terrain coûtant environ 200 dollars par acre. Les coûts d’entretien et d’exploitation annuels peuvent être estimés à 10%.

Si l’on suppose que le coût de stockage se situe plutôt dans le haut de cette fourchette, par exemple 50 000 dollars, et que les coûts d’exploitation et d’entretien annuels représentent 10% de l’investissement, avec une durée de vie de 20 ans et un taux d’intérêt de 5%, le coût actualisé atteint 112 500 dollars, soit environ 4,20 dollars par tonne de capacité journalière de betteraves. Une autre manière de considérer ces coûts est de les exprimer par tonne de betteraves transformées. Si l’on suppose que l’usine type fonctionne 100 jours par an et transforme 270 000 tonnes de betteraves, et que les coûts annuels d’exploitation, d’entretien et de capital représentent 15% de l’investissement initial, le coût annuel total serait de 7 500 dollars, soit un peu moins de 3 cents par tonne de betteraves transformées. Cela représente environ 0,5% des coûts de production, hors achat des betteraves.

Comme c’est souvent le cas dans les procédés de traitement, l’élimination d’une grande partie de la charge polluante coûte beaucoup moins cher que l’élimination complète. Pour le traitement simple des solides de la boue de gâteau de chaux ce que toutes les usines pratiquent maintenant des bassins beaucoup plus petits suffisent. Le coût total de tels bassins dépasse rarement 5 000 dollars. Ce simple traitement par décantation permet aussi d’éliminer la majorité de la DBO, soit environ 85%.

Selon la quantité d’eau de dilution disponible et l’intensité d’utilisation du flux, un effet suffisant peut parfois être obtenu avec des temps de stockage beaucoup plus courts, voire par rejet direct de ce flux d’eaux usées. S’il était rejeté sans aucun traitement, notre usine type de betterave permettrait d’économiser 750 dollars par an, ou 7 500 dollars par an, selon la comparaison avec l’élimination de 85% ou de 100% de la DBO. La relation entre capacité d’élimination et coût est décrite par une fonction exponentielle, ce qui permet d’estimer le coût de bassins de taille moyenne. D’après les statistiques sur les bassins dans l’industrie sucrière, ce flux d’eaux usées très polluant a déjà été fortement réduit dans toutes les usines, et dans certaines il a pratiquement disparu. Il est également clair que son élimination totale est possible, mais à un coût non négligeable. À l’échelle nationale, avant tout traitement, ce flux représente 20 à 30% de la DBO produite par les différents procédés de l’usine de sucre de betterave déjà décrits. Les effluents finaux représentent encore 8 à 10% de la DBO rejetée dans les rivières nationales (Lof & Kneese, 2016).

Traitement de l’eau du condenseur

Notre usine représentative produirait un flux d’eau de condenseur d’environ 5,4 millions de gallons par jour. Ce flux contiendrait environ 2 à 2,5 milliards de Btu de chaleur et 1 800 livres de DBO. Le rejet de chaleur entraînerait une hausse de température de 50 à 60 degrés dans l’eau du condenseur. Les coûts d’élimination de chacun de ces polluants peuvent être considérés séparément.

Le coût du refroidissement de l’eau du condenseur peut être estimé à partir des données de conception de la température humide du site et des informations publiées sur le coût des tours de refroidissement. En utilisant des conditions ordinaires, les besoins de refroidissement peuvent être satisfaits par un investissement d’environ 100 000 dollars dans une tour de refroidissement. Les coûts d’exploitation et de capital représentent ensemble environ 2,5 à 3 cents par 1 000 gallons recirculés, de sorte que, si l’on prend comme référence le coût total de l’eau douce fournie au système de refroidissement de l’usine, cette méthode serait économiquement viable jusqu’à 3 cents par 1 000 gallons, hors autres coûts internes ou économies associées.

Différents niveaux d’élimination de la chaleur peuvent aller de l’élimination totale de 2 milliards de Btu par jour, pour environ 120 à 140 dollars par jour d’exploitation, soit 12 000 à 14 000 dollars par an, à des taux de refroidissement plus modestes avec des coûts proportionnellement intermédiaires. La technologie et l’économie des tours de refroidissement font qu’en cas de recirculation complète, le flux est plus ou moins recyclé dans un cycle fermé, ce qui élimine pratiquement tout rejet de chaleur dans les effluents de l’usine.

Selon le coût du terrain, la recirculation de l’eau du condenseur après refroidissement dans des bassins peut revenir moins cher. Pour notre usine représentative, un bassin d’environ 20 acres serait nécessaire pour refroidir l’eau du condenseur contenant 2 milliards de Btu par jour, à condition que l’usine soit située dans un climat relativement sec et frais, comme dans les États montagneux. Par rapport aux tours de refroidissement, les bassins ont de faibles coûts d’entretien et d’exploitation. Les coûts de pompage et de capital peuvent être estimés à environ 1,3 cent par 1 000 gallons recirculés, soit 2,6 cents par tonne de betteraves, pour un coût total d’environ 7 000 dollars par an. L’utilisation d’un bassin est donc moins coûteuse que celle d’une tour de refroidissement. Toutefois, si les conditions climatiques sont moins favorables, comme dans le centre et le sud de la Californie, ou si le coût du terrain est bien plus élevé, la tour de refroidissement peut devenir l’option la plus économique.

La recirculation complète de l’eau du condenseur, à l’exception d’une petite fraction nécessaire pour éviter l’accumulation d’impuretés, réduirait le prélèvement d’eau de notre usine type d’environ 40% par rapport à l’absence de ce flux, sauf pour l’eau filtrée de la pulpe consolidée, et permettrait aussi de réduire à zéro le rejet de chaleur. Un autre système de refroidissement utilise des bassins avec aspersion, comparables à une solution intermédiaire entre les grandes surfaces de bassin et le refroidissement concentré dans une tour. Si les conditions atmosphériques sont favorables, notamment en matière de vent, de l’eau chaude peut être refroidie à coût modéré grâce à un réseau de jets dans un bassin d’environ un acre. Le coût de ces bassins est généralement inférieur à celui des tours de refroidissement, sauf lorsque le terrain est cher.

Le deuxième problème lié au rejet de l’eau du condenseur est la DBO élevée due au transport de particules de betterave résiduelles, qui s’élève à 1 800 livres par jour pour notre usine type. Ni les tours de refroidissement ni les bassins d’aspersion ne réduisent sensiblement la DBO ; par conséquent, la recirculation par l’un de ces dispositifs augmente progressivement la concentration en sucre, sauf si de l’eau neuve est ajoutée en continu et qu’une partie du flux est dérivée. La fermentation du sucre dans ce flux peut se produire, ce qui peut nécessiter une chloration. Si la recirculation est suffisamment poussée pour entraîner une dérivation de plus de 5 à 10%, soit 100 à 200 gallons par tonne de betteraves, ce flux peut être entièrement utilisé comme eau de composition pour le système de diffuseurs. Il n’est alors plus nécessaire de rejeter l’eau du condenseur, et la chaleur ainsi que la DBO sont totalement éliminées.

Le coût de recirculation du système, si l’on suppose un coût global de chloration pour le contrôle de la DBO plutôt que de la chaleur, pourrait être d’environ un demi-cent par tonne de betteraves, soit environ un cent par unité d’élimination de la DBO, ou 1 200 dollars par an. Cette estimation repose sur l’hypothèse que la chloration, les pompes et les conduites pour alimenter l’eau vers le circuit des diffuseurs coûtent environ 10 000 dollars. Ainsi, si l’on utilise une tour de refroidissement, le traitement complet de l’eau du condenseur pour éliminer la chaleur et la DBO nécessiterait environ 110 000 dollars d’investissement et 15 000 dollars de coût annuel total. Dans des conditions favorables, où des bassins de refroidissement relativement bon marché peuvent être utilisés, les coûts d’investissement annuels devraient être environ moitié moindres.

En l’absence de réutilisation du rejet, la DBO de l’eau du condenseur peut être réduite ou éliminée grâce au bassin, avec oxydation de la DBO et diminution du volume d’eau par évaporation et drainage. S’il faut 30 à 60 jours pour stabiliser presque complètement cet effluent, 10% de l’eau du condenseur nécessiterait un bassin de 16 à 32 millions de gallons, soit 50 à 100 acres-pieds. Un ensemble de bassins anaérobies et aérobies, avec une profondeur moyenne de 3 pieds, nécessiterait de 17 à 35 acres. Dans la plupart des cas, cette surface en acres-pieds serait aussi adaptée aux besoins de refroidissement, sauf dans les usines californiennes. Si l’extraction sur place est possible, les coûts d’élimination de la chaleur par bassin évoqués ci-dessus devraient couvrir aussi l’élimination totale de la DBO de l’eau du condenseur.

Jusqu’ici, on a supposé que le flux d’eau du condenseur, s’il était entièrement recirculé, pourrait remplir à nouveau sa fonction de refroidissement. En pratique, il est plus courant qu’une partie de l’eau du condenseur soit réutilisée pour le lavage des betteraves. Ensuite, les eaux de canal sont rejetées partiellement ou totalement, souvent via des bassins de décantation. La réutilisation de l’eau du condenseur pour les canaux réduit donc aussi la consommation. De plus, son usage dans un système de lavage à canal ouvert diminue la charge thermique vers les rivières grâce au refroidissement par évaporation de surface et, en hiver, à la fonte de la glace des betteraves congelées. La température du rejet final reste toutefois généralement bien supérieure à celle du cours d’eau naturel, de sorte que la pollution thermique demeure préoccupante.

La réutilisation de l’eau du condenseur dans les canaux ne réduit pas la DBO de ces effluents, car le sucre accumulé dans les condenseurs est simplement transféré par les opérations suivantes. Une réduction globale de la DBO rejetée par ces deux opérations peut être obtenue plus efficacement en traitant un flux plus concentré de DBO qu’en utilisant séparément une eau de condenseur diluée. Il est néanmoins évident que, sauf à employer un système totalement fermé pour ces deux flux, la réutilisation de l’eau du condenseur dans les canaux n’est pas envisageable pour une usine qui utilise déjà une forte recirculation de l’eau du canal, car un excès d’eau s’accumulerait dans le système et perturberait son fonctionnement (Lof & Kneese, 2016).

Traitement de l’eau des canaux et du lavage des betteraves

Les éléments tirés de l’industrie montrent que le traitement de l’eau des canaux et du lavage des betteraves constitue de loin le problème restant le plus difficile et le plus coûteux pour l’industrie. Il semble économiquement avantageux pour tout exploitant souhaitant réduire les rejets de ce flux de mettre en œuvre une recirculation étendue de l’eau du canal. Pour supprimer tout rejet, une option serait une recirculation entièrement fermée, mais même si une partie du flux est retirée du procédé et traitée avant rejet, la réduction du volume d’eau par de petites étapes de traitement rend la recirculation étendue moins coûteuse.

Le stockage de l’eau prélevée diminuera aussi du fait de la baisse de consommation. Sur la base des rejets ordinaires de l’industrie sucrière de betterave, l’élimination complète de la DBO des eaux de canal permettrait de réduire la DBO d’environ 55%. Dans l’exemple de l’usine type, l’élimination des effluents de l’eau du condenseur et de la boue de chaux réduit la DBO de 75%. La réduction des matières en suspension sur ces deux flux serait presque totale, car ils sont actuellement les seules sources importantes de pollution par matières en suspension.

En fait, si notre usine représentative parvenait à retenir complètement sa boue de chaux, à recirculer son eau de condenseur par l’une des options décrites plus haut, et à retenir les rejets issus du canal, cela supprimerait tout rejet d’eaux usées dans les cours d’eau. Une méthode, utilisée dans une usine, consiste en la recirculation complète en circuit fermé du flux d’eau de canal à travers un procédé de clarification, combinée à la réutilisation de l’eau du condenseur pour le lavage, au refroidissement de l’eau du bassin par aspersion et à un recyclage via les condenseurs dans le système d’accumulation de l’eau.

Un autre circuit fermé utilisé dans cette usine consiste à combiner la source d’eau filtrée de la pulpe consolidée avec une faible quantité d’eau douce alimentant les diffuseurs. Le principal obstacle à l’emploi de cette méthode, au-delà de son coût, est l’accumulation d’impuretés diverses dans la recirculation. Cela rend nécessaire l’élimination des solides en suspension par clarification, dans un bassin de décantation ou dans un clarificateur mécanique. Un prétraitement par ajout de chaux ou d’autres produits chimiques aide à la coagulation et à la sédimentation des particules très fines de sol et d’autres matières en suspension. En outre, la chloration et d’autres traitements chimiques sont nécessaires pour contrôler les odeurs et les dépôts sur les équipements dus à la décomposition des sucres et d’autres composés dissous.

En raison du besoin d’eau douce, un excédent peut se former progressivement dans le système de recirculation sous forme d’accumulation d’eaux liquides, qu’il faut évacuer d’une manière ou d’une autre. L’usine qui utilise ce système rejette principalement ses eaux usées vers une station municipale d’épuration après exploitation. L’expérience de cette usine montre qu’un coût de construction d’environ 500 000 dollars et des coûts annuels d’exploitation de 30 000 dollars seraient nécessaires pour notre usine représentative afin de mettre en place un tel système. Le coût annuel total se situe alors autour de 80 000 à 100 000 dollars. Le coût de la recirculation partielle, qui peut être obtenu par un apport d’eau de composition provenant d’une autre source, serait moindre.

Ces coûts supposent qu’un clarificateur mécanique fasse partie des installations de recirculation. Un tel système requiert moins de terrain pour les bassins de décantation que l’usage de bassins seuls, mais certains bassins peuvent tout de même être nécessaires pour fournir le volume de stockage requis à la coagulation. Là où le prix du terrain est relativement faible, il est possible de stocker en remplaçant le clarificateur mécanique par un bassin de décantation. Pour notre usine représentative, un bassin d’une capacité de 30 acres avec un coût de terrain et de construction de 60 000 dollars, y compris les conduites et les pompes nécessaires, serait probablement requis. Si 25 acres suffisent pour la décantation et si le prix du terrain dépasse 2 000 dollars par acre, alors la construction d’un clarificateur mécanique serait plus économique qu’un bassin, pour un écart de 75 000 à 100 000 dollars.

Un nouveau système de stockage, caractérisé par une recirculation complète, un temps de séjour court et l’ajout de chaux, semble largement applicable. Si des essais supplémentaires confirment cette voie, le traitement complet des eaux de canal pourrait être bien moins coûteux pour l’usine type. Le coût d’investissement serait d’environ 200 000 dollars et les coûts d’exploitation annuels de 13 000 dollars, pour un coût annuel total d’environ 35 000 dollars afin d’éliminer complètement les eaux de canal et de lavage (Lof & Kneese, 2016).

La population mondiale augmente rapidement, et il faut protéger les ressources restantes. D’ici 2025, 2,7 milliards de personnes, soit un tiers de la population mondiale, seront confrontées à une pénurie sévère d’eau, principalement dans l’hémisphère Sud. La production alimentaire mondiale devra doubler pour assurer la sécurité alimentaire de tous, mais la mauvaise gestion des ressources en eau crée un défi majeur. La disponibilité d’eau par habitant diminue dans le monde, car la demande en eau a triplé au cours des 50 dernières années. À mesure que les nappes phréatiques s’épuisent, la production alimentaire mondiale baisse. En Inde, l’eau douce renouvelable disponible par habitant est passée de 5 177 m3 par an en 1951 à 1 820 m3 par an en 2001. On prévoit qu’en 2025, cette disponibilité moyenne tombera à environ 1 340 m3 par an. Actuellement, le potentiel de la plupart des bassins fluviaux est exploité à plus de 50%, et plusieurs bassins sont déjà considérés comme en situation de pénurie d’eau. Plus de 80% de l’approvisionnement domestique en eau en Inde dépend des eaux souterraines. Or, celles-ci s’épuisent rapidement. La disponibilité par habitant a diminué de manière significative dans la plupart des régions, et une pollution importante d’origine humaine dans les eaux souterraines menace les ressources naturelles.

Dans l’industrie sucrière, les besoins en eau sont de 2,0 m3 par tonne de canne à sucre, et les eaux usées produites sont de 0,40 m3 par tonne de canne à sucre. L’Inde compte actuellement 530 sucreries, avec une capacité totale de broyage de 16 004 462 tonnes de canne par jour. Sur cette base, les besoins en eau et la production d’eaux usées sont respectivement de 32 008 924 m3 par jour et de 6 041 784,80 m3 par jour. Le Central Pollution Control Board (CPCB) vise à réduire les eaux usées produites à un minimum de 0,10 m3 par tonne de canne. Il existe des exemples où le besoin en eau brute a été réduit de 0,10 à 0,20 m3 par tonne de canne broyée. La teneur en eau de la canne à sucre est d’environ 0,70 m3 par tonne de canne broyée ; sur cette quantité, environ 0,50 à 0,60 m3 par tonne est consommée pendant le procédé, et 0,10 à 0,20 m3 par tonne devient un excédent. Cette eau peut remplacer l’eau douce nécessaire et préserver les ressources naturelles (Gunjal & Gunjal, 2013).

Dans les sucreries de canne, l’eau utilisée dans le procédé peut provenir de deux sources : l’eau contenue dans la canne elle-même, récupérée par les différentes opérations du procédé (section d’évaporation, cristallisation, raffinerie), et l’eau des puits ou des rivières, utilisée principalement dans les condenseurs barométriques, le dépoussiérage des cheminées, les dispositifs de lavage, le refroidissement des turbines et les machines.

Cycle 1 : récupération des vapeurs / condensats

Cycle 2 : laveur (lavage) et eau de cheminée

Cycle 3 : eau de chaudière

Cycle 4 : turbine et eau de refroidissement des machines

Cycle 5 : eau de refroidissement des plateaux de cristallisation et du filtre

Cycle 6 : eau du condenseur

Cycle 1 : récupération des vapeurs / condensats
Les vapeurs produites dans les évaporateurs et les plateaux de cristallisation se condensent dans les réchauffeurs de sirop. Ces condensats (eau condensée) sont utilisés comme eau de concentration des jus de canne, eau de lavage du sucre dans les centrifugeuses, eau chaude dans la raffinerie et eau de lavage des plateaux. Cette stratégie de récupération est une pratique courante dans la plupart des sucreries de canne. Afin d’éliminer les gaz non condensables présents dans les vapeurs produites, une vanne de purge est utilisée pour nettoyer le cycle. L’excédent de condensats contenant des traces de sucre peut être dirigé vers trois destinations :
a) les laveurs et les circuits de cheminée, où les cendres sont évacuées ; cette pratique existe dans certaines sucreries de canne (cycle 2).
b) l’eau de composition du circuit du condenseur barométrique (cycle 6).
c) les condensats des premiers effets du système d’évaporation, généralement utilisés comme eau de composition pour les chaudières dans les sucreries (cycle 3).

Parfois, même après utilisation pour les trois destinations mentionnées ci-dessus, il reste encore des condensats excédentaires qui doivent être rejetés dans l’environnement.

Cycle 2 : laveur et eau de cheminée
Les eaux usées provenant du laveur et de la cheminée peuvent être réutilisées comme eau de lavage dans le circuit des filtres. Dans ce cas, les pertes d’eau proviennent de l’évaporation et de l’entraînement. Comme complément, on peut utiliser la purge de chaudière et/ou les condensats du cycle 1, car leurs polluants sont compatibles avec cette utilisation. Les effluents du système de filtre sont des boues de cendres volantes, qui peuvent être séchées et utilisées comme engrais de sol.

Cycle 3 : eau de chaudière
La majeure partie de la vapeur produite par la chaudière est condensée puis réintroduite dans le système de chaudière après usage. Il s’agit d’un cycle d’eau courant dans l’industrie sucrière. Des pertes d’eau existent à cause des fuites dans les raccords et du fonctionnement des soupapes de sécurité. Les solides dissous dans l’eau de chaudière doivent être éliminés par un traitement. Ce traitement fournit un flux d’eau qui ne contient que des sels dissous et qui peut être utilisé comme eau de lavage dans les laveurs et le système de cheminée. L’eau de composition peut être de l’eau adoucie fraîche ou des condensats récupérés des premiers effets du système d’évaporation.

Cycle 4 : turbine et refroidissement des machines
L’eau de refroidissement peut être récupérée grâce à une lubrification adéquate des équipements du système de refroidissement. Les pertes d’eau dans ce cycle sont très faibles. L’effluent est huileux et ne contient pas d’eau.

Cycle 5 : eau de refroidissement des plateaux de cristallisation et du filtre
Dans ce système, l’augmentation de température de l’eau de refroidissement est faible, et les pertes d’eau par évaporation sont donc négligeables.

Cycle 6 : eau du condenseur
Le condenseur barométrique est le principal consommateur d’eau dans une sucrerie, principalement à cause du faible rendement du transfert d’énergie des équipements. L’eau utilisée peut être récupérée grâce à un système de refroidissement afin de maintenir la différence de température entre le flux entrant et le flux sortant. Dans ce cycle, il existe des pertes par évaporation, par entraînement et par vapeur au cours du processus de refroidissement (généralement des tours de refroidissement). Pour éviter la concentration des solides dans le système, une purge continue est nécessaire. L’eau peut être obtenue à partir de sources naturelles (rivières) ou des condensats issus du système de récupération des vapeurs/condensats (cycle 1). Dans cette étude, l’eau destinée au nettoyage n’est pas prise en compte ; pour les laboratoires de l’usine, elle provient de sources naturelles (Ingaramo, Heluane, Colombo, Cesca, & Escamilla, 2008).

Indice d’utilisation de l’eau
L’utilisation de l’eau pour mesurer l’efficacité de l’usage de l’eau dans une sucrerie est définie comme suit :

WIN=Wc−W(LOWUP​)−W(LO)​

c’est-à-dire : consommation réelle d’eau - consommation d’eau basse - consommation d’eau haute - consommation d’eau basse.

La consommation réelle d’eau (𝑊𝑐):(Wc) désigne la quantité d’eau douce externe réellement introduite dans le procédé, en tonnes d’eau douce par 100 tonnes de canne à sucre.

La consommation d’eau basse (𝑊𝐿𝑂):(WLO) est définie comme la quantité minimale de tonnes d’eau douce externe par 100 tonnes de canne à sucre, obtenue si les six cycles présentés dans la figure 6 fonctionnent avec les pertes d’eau supposées les plus faibles, conformément au tableau 2-10.

Consommation élevée d’eau (WUP) : il s’agit de la quantité d’eau douce/externe, exprimée en tonnes, qui doit être alimentée pour 100 tonnes de canne à sucre entrant dans le procédé, si aucune réutilisation ni récupération de l’eau n’est effectuée. Toutes les sucreries utilisent le cycle 1 (récupération des vapeurs / condensats) et le cycle 3 (eau de chaudière) pour la consommation d’eau. C’est pourquoi les valeurs de l’indice d’utilisation de l’eau pour les usines actuelles sont fixées à des valeurs extrêmes afin de pouvoir être utilisées dans toutes les conditions.

L’eau douce/externe (WUP,WLO,Wc) est calculée en tenant compte du bilan de masse dans les différents schémas technologiques. Les flux de masse traversant les frontières du procédé analysé doivent être identifiés :

(2−2)

WUP=non-produits−eau dans les produits−eau dans la canne+pertes élevées+vapeur de chaudiere en purge

Ici, les « pertes élevées » sont définies sans tenir compte du cycle de l’eau mis en œuvre dans le procédé. La bagasse, la mélasse et le gâteau de filtration ne sont pas considérés comme des produits du procédé (non-produits).

La faible consommation d’eau (WLO) est calculée selon le procédé réalisé avec les 6 cycles présentés dans la figure 2-6, à l’aide de l’équation (WLO). Le tableau 2-10 présente les critères utilisés dans ce travail pour calculer la « réduction des pertes » et la « réduction de la purge » pour chaque cycle.

(2−3)

WLO=∑non-produits−eau dans les produits−eau dans la canne+∑reduction des pertes+∑reduction des purges

La consommation réelle d’eau est calculée comme suit :

(2−4)

Wc=∑non-produits−eau dans les produits−eau dans la canne+∑pertes+∑purges

L’indice d’utilisation de l’eau permet d’évaluer simplement la consommation efficace d’eau d’une sucrerie et facilite aussi la comparaison entre différentes configurations d’usines ou entre plusieurs sucreries (Ingaramo, Heluane, Colombo, Cesca, & Escamilla, 2008).

Augmentation du rendement de la ligne de production de canne à sucre par un système de refroidissement alternatif pour le condenseur

Environ 10% de la canne à sucre peut être convertie en sucre commercial, avec une consommation d’environ 20 mètres cubes d’eau par tonne métrique (m3/t) de canne. La canne à sucre contient 70% d’eau, 14% de fibres, 13,2% de saccharose (environ 10 à 15% de saccharose) et 2,7% d’impuretés solubles. Les cannes sont généralement lavées avant l’extraction du jus. Ce jus est ensuite clarifié pour en éliminer la boue, puis évaporé, cristallisé afin de séparer les cristaux, et centrifugé pour séparer la mélasse des cristaux. Les cristaux de sucre sont ensuite séchés et peuvent être raffinés avant l’ensachage pour un transport plus efficace.

Dans certains endroits, le jus est extrait par un procédé de diffusion, qui permet une extraction plus élevée avec une consommation d’énergie plus faible et des coûts d’exploitation et de maintenance réduits. Pour le traitement de la betterave sucrière (eau : 75%, sucre : 17%), seuls les procédés de lavage, de préparation et d’extraction diffèrent. Après lavage, la betterave est découpée en fragments, puis les cossettes sont entraînées vers un diffuseur à rotation lente, où un courant d’eau à contre-courant est utilisé pour extraire le sucre des tranches de betterave. Environ 15 mètres cubes d’eau et 28 kilowattheures d’énergie sont consommés par tonne de betterave traitée.

Le raffinage du sucre comprend l’élimination des impuretés et la décoloration. Les étapes habituellement suivies sont : liaison, fusion, clarification, décoloration, évaporation, cristallisation et finition. Les procédés de décoloration utilisent du charbon actif granulaire, du charbon actif en poudre, des résines échangeuses d’ions et d’autres matériaux (Chouhan & Chandrakar, 2014).

Clarificateurs

Le sirop doit être filtré à travers un tissu avant l’ébullition afin d’éliminer les solides, tels que les impuretés, les particules de terre ou les fragments de canne. Dans les grandes sucreries, on ajoute de la chaux au sirop afin de coaguler les impuretés, qui se déposent ensuite. Le sirop est ensuite neutralisé au dioxyde de soufre. Dans les petites unités, on ajoute divers agents de clarification, dont des cendres de bois. Tous ces traitements favorisent la sédimentation des impuretés (Chouhan & Chandrakar, 2014).

Le jus vert foncé provenant de la ligne de production est acide (pH4,5) et trouble ; on l’appelle jus brut ou jus mélangé. Après chauffage à 65-75 °C, le jus mélangé est traité avec de l’acide phosphorique, du dioxyde de soufre et du lait de chaux afin d’éliminer les impuretés en suspension, dans un appareil fonctionnant en continu. Le jus traité est ensuite transféré vers un clarificateur continu dans la chaudière. Une fois clarifié, il est renvoyé dans le système et les impuretés déposées, appelées boue, sont envoyées vers un filtre rotatif sous vide pour éliminer les matières indésirables sous forme de gâteau de filtration, ou bien sont renvoyées aux champs comme engrais. Le jus clarifié, sans autre traitement, passe aux évaporateurs (Gunjal & Gunjal, 2013).

Évaporation (ébullition du sirop)

Le sirop clarifié issu du processus de clarification est placé sous vide, où il bout à basse température et commence à s’évaporer. Il est chauffé jusqu’à devenir un sirop épais et brun. Cette opération se fait dans de grandes cuves sur feu ouvert ou dans des fours simples. L’exigence essentielle pour ces cuves est leur propreté ainsi que celle des ustensiles utilisés.

Les sédiments se déposent au fond de la cuve pendant l’ébullition et sont retirés par curage. Les impuretés flottent vers le haut et sont éliminées ; ces deux résidus peuvent être utilisés pour nourrir les bovins. Une grande cuve, comme celle de la figure 9, peut contenir environ 100 kg de sirop, donnant environ 20 kg de sucre. Les cuves sont généralement fabriquées à partir de tôles d’acier doux galvanisé. La température d’ébullition du sirop est d’environ 105 °C. Le point final du processus de cuisson est évalué par l’expérience, à l’observation et au son du sirop en ébullition.

Après l’ébullition, les vapeurs du sirop passent par des récipients sous vide, puis à travers un condenseur pour le changement de phase, et l’eau chaude est envoyée vers la chaudière en alimentation (Chouhan & Chandrakar, 2014).

Dans la fabrication du sucre brut, l’évaporation est une opération unitaire importante, dans laquelle les vapeurs de sortie de la turbine sont utilisées pour évaporer l’eau contenue dans le sirop afin d’en augmenter la concentration. Comme l’évaporation est la principale consommatrice de vapeur dans l’usine sucrière, une utilisation optimale de la vapeur est essentielle, et des évaporateurs à effets multiples sont toujours utilisés pour augmenter la concentration du sirop de 13-16% à 65-70% dans l’usine sucrière.

Les évaporateurs à effets multiples peuvent fonctionner en mode parallèle, en contre-courant ou en mode mixte. Bien que le contre-courant offre le meilleur rendement énergétique, l’industrie sucrière utilise surtout le mode parallèle, ou mode à alimentation directe, dans lequel le sirop et les vapeurs circulent dans la même direction. Cela s’explique par le fait que la température des vapeurs dans le dernier évaporateur n’est pas trop élevée, ce qui minimise la perte de saccharose et la formation de couleur.

Une caractéristique importante des évaporateurs à effets multiples est la diminution régulière de la pression de vapeur du premier au dernier évaporateur, ce qui conduit le dernier évaporateur à fonctionner sous vide. Afin de créer ce vide, les vapeurs du dernier évaporateur sont condensées dans un condenseur. Le type de condenseur couramment utilisé dans l’industrie sucrière est le condenseur à contact direct, qui présente l’avantage d’un faible coût de construction et de la capacité à atteindre la proximité thermique souhaitée.

Le condenseur à contact direct nécessite un apport d’eau de refroidissement, utilisée pour se mélanger aux vapeurs. De nombreuses sucreries obtiennent cette eau de refroidissement à partir de bassins d’aspersion, et la température de cette eau est fortement influencée par la température ambiante. Dans un pays chaud et humide comme la Thaïlande, la température ambiante peut varier entre 25 °C et 40 °C pendant une saison de campagne. En raison de l’interaction entre les évaporateurs à effets multiples et le condenseur à contact direct, le fonctionnement des évaporateurs est inévitablement influencé par le débit et la température de l’eau de refroidissement (CHANTASIRIWAN, download2015,original2014).

Comme le montre la figure 10, cinq évaporateurs sont étudiés. Dans le développement d’un modèle d’évaporateur à effets multiples, on suppose que le système est à l’état stationnaire, que toutes les vapeurs sont saturées, que le sirop de sucre est au point d’ébullition et que la température d’ébullition du sirop est égale à la température de la vapeur saturée plus l’élévation du point d’ébullition.

En raison de la concentration des solides dissous dans le sirop et de l’augmentation de la hauteur hydrostatique, il existe une perte de pression de vapeur entre deux évaporateurs. L’analyse des évaporateurs à effets multiples nécessite des équations de bilan de matière et de bilan d’énergie. Pour le iii-ème effet, l’équation de bilan massique est la suivante :

(2−5)

m(f,i​)+m(v,i​)=m(f,i−1)​

L’équation d’énergie s’écrit comme suit :

(2−6)

m(v,i−1​)h(v1,i−1​)+m(f,i−1​)h*(in)f,i​=m(v,i​)h(v,i​)+m(f,i​)h*out​ f,i+Qi​

Ici, h(v1,i−1) est la chaleur latente de vaporisation à la pression pi−1p_{i-1}pi−1​, hv,ih_{v,i}hv,i​ l’enthalpie de la vapeur saturée à la pression pip_ipi​, hf,ih_{f,i}hf,i​ l’enthalpie du sirop de sucre dans l’effet iii, et QiQ_iQi​ la perte de chaleur dans l’effet iii. Pour les calculs formulaires, il faut déterminer hvlh_{vl}hvl​, hvh_vhv​ et hfh_fhf​. Ces formules sont obtenues à partir de la chaleur de vaporisation et de l’enthalpie de saturation. Ici, TTT est la température de saturation de la vapeur correspondant à la pression.

(2−7)

hv1​=2992,9−2,0523T−3,0752×10*(−3)T*2

(2−8)

hv​=2502,4+1,8125T+2,585×10*(−4)T*(2)−9,8×10*(−6)T*3

(2−9)

T=−227,3+3816,44/18,3036−ln(7,5P)​

L’enthalpie spécifique du sirop à l’entrée et à la sortie de l’effet iii peut être écrite comme le produit de l’enthalpie spécifique du sirop et de sa température, soit hf=cpTf​. Les deux valeurs varient de l’entrée à la sortie de l’effet i. Tf est supérieur au point d’ébullition de l’eau liquide saturée à la même pression, en raison des effets de la charge hydrostatique et de la concentration des solides dissous dans le sirop.

L’effet hydrostatique provient de l’augmentation apparente de pression que subit le sirop à cause de la hauteur hydrostatique. Si le niveau du sirop dans la cuve est H, l’augmentation moyenne de pression est de 0,5ρfgH. L’élévation du point d’ébullition due à la concentration des solides dissous dans le sirop est calculée à partir d’une corrélation simple. La densité de l’eau (ρf) est calculée comme suit :

(2−10)

Tf​=−227,03+3816,44/18,3036−ln(7,5p)​+ρf​gH/2000​

(2−11)

ρf​=1000(1+x)+20054000/1−0,036Tf​−20160−Tf​​

Modèle du condenseur

Les deux types de condenseurs à contact direct couramment utilisés dans l’industrie sucrière sont le condenseur barométrique et le condenseur à jet. Ici, seul le condenseur barométrique est considéré, comme montré à la figure 2. À l’intérieur du condenseur, l’eau de refroidissement entre en contact avec les vapeurs afin de les condenser. L’eau de refroidissement est pulvérisée sur les vapeurs pour assurer le mélange entre l’eau et celles-ci. L’eau condensée, appelée eau de décharge, sort du condenseur par un piège barométrique.

Comme les gaz non condensables ne se dissolvent pas dans l’eau de refroidissement, une partie de ces gaz est libérée lorsque l’eau entre en contact avec les vapeurs. En outre, les gaz proviennent aussi des fuites d’air dans le condenseur. Il en résulte une accumulation de gaz dans le condenseur qui, si elle n’est pas éliminée, se poursuit, perturbe le processus de condensation et augmente la pression du condenseur. L’appareil capable d’évacuer les gaz non condensables du condenseur est la pompe à vide.

Il existe un nombre limité de publications sur le système de condenseur et la pompe à vide. Le flux entrant provenant des évaporateurs est un mélange de vapeurs et de gaz non condensables. Une partie des vapeurs est condensée par l’eau de refroidissement et, à la sortie du condenseur, devient l’eau de décharge. La pompe à vide élimine les vapeurs résiduelles et les gaz non condensables, qui comprennent les gaz dissous dans l’eau de refroidissement ainsi que les gaz présents dans le flux entrant provenant des évaporateurs (CHANTASIRIWAN, download2015,original2014).

Les évaporateurs et la pompe à vide traitent les vapeurs et l’air comme des gaz parfaits à capacité calorifique constante. Toute l’eau de refroidissement se mélange aux vapeurs ; le mélange entre l’eau de refroidissement et les vapeurs est homogène ; le mélange final est de l’eau liquide saturée ; il n’y a pas de transfert de gouttelettes dans le mélange de vapeurs et de gaz non condensables à la sortie du condenseur ; et les propriétés thermodynamiques des gaz non condensables et de l’air sont identiques.

Le débit de vapeur entrant dans le condenseur m(v, in) est la somme de mv1 et mv2​. À partir du bilan de masse à la sortie du condenseur vers la pompe à vide, on obtient :

(2−12)

m(v2)​=m(ex)​−m(v, in)​−ym(c)​

De manière générale, le débit volumique de la pompe à vide est spécifié par m(ex)​.

(2−13)

m(ex​)=ρ(ex)​.V(ex)​

La densité du mélange à la sortie du condenseur ρ(ex) est obtenue à partir de la densité de la vapeur (ρv)(\rho_v)(ρv​) et de celle des gaz non condensables (ρa​) :

(2−14)

ρex​=1/ρv.​P(v,ex)/P​​+1/ρa.​(1−P(v,ex​​)/P)

ρa et ρv​

sont obtenues à partir de la loi des gaz parfaits :

(2−15)

ρv​=P(v,ex).​M(v)​/R(u).​(T(ex)​+273,15)​

(2−16)

ρa​=(P−P(v,ex​).M(a))/R(u)​(T(ex)​+273,15)​​

L’équilibre thermodynamique entre le condenseur et la pompe à vide est calculé à partir de la relation suivante :

(2−17)

Pv,ex​=P1​+M(w)/M(a).​​​m(v, in)​+y.m(c)​m(v2)​

Tant que les vapeurs à la sortie du condenseur sont saturées, la température du mélange de vapeurs et de gaz non condensables à la sortie du condenseur T(ex)​ peut être calculée à partir de la formule P(v,ex)​.

(2−18)

m(v1)​=1/h(v1).p(v,in​)​{1−y.m(c).​c(pw)​T(in)​−T(c)​+m(v2).​h(v)​.T(ex)​−h(v)​.T(in)​+r.m(v,in).​c(pa).​T(ex)​−T(in)​+y.m(c).c(pa).​T(ex)​−T(c)​}

L’équilibre entre l’évaporateur et le condenseur est établi lorsque la pression totale du mélange est à l’équilibre avec la pression du condenseur. Ainsi, la pression de vapeur est obtenue comme suit :

(2−19)

P(v, in​)=P1​+y.M(w)/M(a)​​

Si les paramètres m(c)​, T(c)​, r, y sont calculés à partir des équations 9 à 19, alors m(v,in) est déterminé, puis finalement P(v, in)​. La résolution de certaines de ces équations est non linéaire ; la procédure suivante est donc utilisée :

Supposer ρ(ex)​.

Calculer m(ex) à partir de l’équation 2-13.

Comme la valeur de r est négligeable, prendre r.m(v,in)=0 et calculer m(v)​ à partir de l’équation 2-12.

Recalculer P(v,ex) en supposant à nouveau r.m(v,in)=0.

Utiliser l’équation 2-9 pour obtenir T(ex) à partir de P(v,ex)​.

Calculer P(v,in)​ à partir de l’équation 2-19.

Utiliser l’équation 2-9 pour obtenir T(in)​ à partir de P(v,in)​.

Calculer m(v1) à l’aide de l’équation 2-18.

Calculer m(v,in)​ comme la somme de m(v1)​ et m(v2)​.

Calculer ρ(ex)​ à partir des équations 2-14 à 2-16 (CHANTASIRIWAN, download2015,original2014).

Pour étudier l’effet de la température de l’eau de refroidissement et du débit sur la performance des évaporateurs, la température varie de 25 à 35 °C et le débit de 70 à 90 kg/s, tandis que les autres paramètres restent inchangés. La figure 3 montre la variation de la concentration finale du sirop de sortie pour trois valeurs de température et de débit. Le graphique 4 montre la variation du débit pour trois valeurs de température. Pour un débit fixé, la concentration diminue de manière uniforme avec la température, et pour une température fixée, elle augmente de manière uniforme avec le débit.

En outre, tout jeu de données pour un débit fixé peut être représenté par une droite dans le graphique 4, tandis que tout jeu de données pour une température fixée peut être représenté par une courbe parabolique dans le graphique 5 (CHANTASIRIWAN, download2015,original2014).

Des modèles couplés d’évaporateurs à effets multiples et de condenseurs à contact direct ont été développés pour étudier l’effet du débit et de la température de l’eau de refroidissement sur la performance des évaporateurs à plusieurs effets. Le modèle de l’évaporateur a été testé par rapport à un autre modèle, et il a été constaté que les résultats des deux modèles ne différaient que de moins de 3%. Une méthode itérative a été proposée pour résoudre l’ensemble des équations non linéaires des modèles couplés, permettant d’obtenir, à partir de la pression de vapeur d’entrée, du débit entrant de sirop, de la concentration d’entrée du sirop, du débit et de la température de l’eau de refroidissement, ainsi que d’autres paramètres du système, les solutions relatives à la pression de vapeur, aux débits de vapeur, aux débits de sirop et à la concentration du sirop dans tous les effets (CHANTASIRIWAN, download2015,original2014).

La simulation des évaporateurs à effets multiples à l’aide de ce modèle montre quantitativement comment la concentration du sirop à la sortie de l’évaporateur diminue lorsque le débit d’eau de refroidissement diminue ou que sa température augmente (CHANTASIRIWAN, download2015,original2014).

Chaque tonne de vapeur extraite par l’évaporation implique qu’environ une tonne de vapeur supplémentaire doit être produite par les chaudières. Le condensat chaud provenant de la section d’évaporation et les vapeurs à basse pression doivent être utilisés pour chauffer le sirop. Toutefois, une certaine quantité de vapeur en circulation est nécessaire pour chauffer le sirop. Au-delà de 92 °C, l’utilisation de vapeur en circulation provenant des évaporateurs est une stratégie intelligente, mais cette utilisation est généralement compensée par la vapeur dégagée du sirop et par le condensat.

La production de sucre peut être divisée en étapes distinctes, dans lesquelles les procédés peuvent être classés comme consommateurs d’énergie ou transformateurs d’énergie. Pour économiser l’énergie, la consommation des consommateurs doit être réduite autant que possible, ou bien le procédé doit être transféré vers un  transformateur . Les  transformateurs doivent être optimisés afin de devenir de véritables transformateurs avec des pertes d’énergie minimales.

La concentration du sucre de betterave nécessite de l’énergie thermique, normalement fournie par la section d’évaporation. Pour minimiser ce besoin énergétique, la température de sortie lors de la concentration du sirop dans la section d’évaporation doit être aussi basse que possible, tant que l’élévation de la température du sirop reste compatible avec une consommation accrue d’énergie lors de la concentration. Les technologies de concentration existantes diffèrent en efficacité, de sorte que la précision du procédé permet de les distinguer.

Le dispositif de concentration à pente DDS est considéré comme l’une des meilleures technologies de concentration en termes de consommation d’énergie. L’évaporation-cristallisation est le plus grand consommateur d’énergie. Les méthodes de réduction de cette consommation sont les suivantes :

• Remplacer le sirop standard destiné à la cristallisation du sucre blanc par un sirop à forte teneur en matières sèches, par exemple 78%. Cette pratique est particulièrement courante en France, où même 80% de matière sèche est parfois utilisée.
• Utiliser une teneur en matière sèche de 70% dans le sirop et réduire, ou presque supprimer, l’eau utilisée pour le lavage dans les centrifugeuses. Ainsi, moins de sucre est dissous, la charge dans l’étape suivante d’évaporation-cristallisation diminue, et le sucre sortant des centrifugeuses est plus sec, ce qui permet aussi d’économiser de l’énergie lors du séchage du sucre.

Dans l’évaporation-cristallisation, les vapeurs de cristallisation sont utilisées pour chauffer le procédé d’évaporation. La perte potentielle au condenseur peut être appelée potentiel d’économie de vapeur. La dernière étape de contrôle du procédé consiste à réduire le transfert d’énergie à l’aide d’un bac de détente. Pour réduire les pertes du condenseur dans le système d’évaporation, les méthodes connues sont les suivantes :

1. Faire circuler les vapeurs pour les utilisateurs autant que possible le long de la ligne des évaporateurs. Pour cela, une chute de pression artificielle peut être créée entre les deux derniers évaporateurs.
2. Augmenter le nombre de recirculations de vapeur.
3. Réaliser une recompression dans plus d’un ou deux évaporateurs au moyen de compresseurs thermiques (Jensen & Morin, 2015).

Le sirop produit dans l’industrie sucrière est concentré dans des évaporateurs à effets multiples. Les vapeurs rejetées par le système de cogénération servent de source d’énergie thermique dans le premier évaporateur et séparent une partie de l’eau contenue dans le sirop, laquelle devient la source de chaleur pour l’évaporation suivante. Le fonctionnement de ce système, grâce à la réduction de pression et à la création du vide dans le dernier effet, produit la différence de température nécessaire entre chacun des évaporateurs.

Le débit des vapeurs peut être utilisé pour satisfaire les besoins thermiques d’autres parties du procédé, comme les réchauffeurs de clarification du sirop et le système de cuisson du sucre. Une partie du sirop produit pour l’éthanol est concentrée dans cinq systèmes d’évaporation afin d’atteindre la concentration nécessaire au processus de fermentation. Une autre partie du sirop destiné à l’éthanol est filtrée vers la fermentation pour être mélangée au sirop concentré de l’étape précédente et produire la mélasse (Ensinas, Nebra, Lozano, & Serra, 2007).

Centrifugeuse

En évaporant une petite quantité d’eau dans le sirop de sucre, la cristallisation se produit. Dans un récipient stérilisé sous vide, à mesure que le liquide s’évapore, du sucre en poudre est introduit dans la cuve, ce qui provoque la formation de cristaux. Le mélange résiduel devient une masse épaisse de gros cristaux, envoyée à la centrifugeuse pour séparer et sécher les cristaux. Le produit séché est du sucre brut, qui n’est pas encore consommable (Chouhan & Chandrakar, 2014).

Le magma issu du cristalliseur est acheminé vers des machines rotatives appelées centrifugeuses. Un tambour perforé retient les cristaux de sucre, qui peuvent être lavés à l’eau si nécessaire. La liqueur mère (mélasse) traverse la couche sous l’effet de la force centrifuge, puis est évacuée après le nettoyage du sucre, ce qui prépare la centrifugeuse à recevoir une nouvelle charge de magma. Des centrifugeuses continues peuvent nettoyer les qualités inférieures. La liqueur mère séparée du sucre commercial est renvoyée à la cuve pour être portée de nouveau à ébullition et recristallisée. Trois étapes de recristallisation sont adoptées afin d’assurer la récupération maximale du sirop mère sous forme cristalline. La liqueur mère finale, appelée mélasse finale, quitte l’usine, car elle n’est pas économiquement rentable à récupérer pour la production de sucre dans des conditions commerciales (Gunjal & Gunjal, 2013).

Stockage en vrac

Après le tamisage, le sucre fin raffiné final est envoyé vers des trémies ventilées, puis vers des silos de stockage avant l’emballage ou le chargement en vrac. Presque tout le sucre conditionné est placé dans des contenants en papier multifeuillets, des cartons ou des sacs en polyéthylène. Le chargement en vrac, en sortie d’usine, est effectué dans des wagons-trémies spéciaux ou des camions-citernes (Chouhan & Chandrakar, 2014).

Condenseur de vapeur

Le condenseur de vapeur est un dispositif ou une opération dans laquelle la vapeur est condensée et la chaleur libérée par la vapeur est absorbée par l’eau. L’eau chaude atteint la chaudière à l’aide d’une pompe d’alimentation. Le condenseur de vapeur remplit les objectifs suivants : il maintient une très bonne pression de retour sur les cuves et les évaporateurs de la ligne de production de sucre. Ainsi, le rendement thermique d’une unité avec condenseur est supérieur à celui d’une unité sans condenseur pour une quantité similaire de vapeur.

Le rendement du condenseur est défini comme le rapport entre la différence de température de l’eau de refroidissement à la sortie et à l’entrée, et la différence entre la température de vide dans le condenseur et la température d’entrée de l’eau de refroidissement :

(2−20)

rendement du condenseur=augmentation de la tempeˊrature de l’eau de refroidissement/temperature du vide du condenseur−temperature de l’eau de refroidissement a l’entree​=t(w2​)−t(w1)/t(s)​−t(w1)​​​

Ici, t(w1)​ est la température de l’eau entrant dans le condenseur et t(w2)​ celle de l’eau sortant du condenseur. ts​ est la température de saturation de la vapeur.

Sa fonction principale dans la ligne de production de l’usine sucrière est de condenser les vapeurs issues des récipients sous vide, récupérant ainsi une eau d’alimentation de haute qualité pour être réutilisée dans l’usine. Une fonction plus utile consiste à créer une pression de vide (lorsqu’une enceinte fermée est utilisée pour l’échange thermique), ce qui permet de maintenir la pression de retour nécessaire aux évaporateurs et aux plateaux.

Mesure du vide : le terme vide est employé lorsque la pression du condenseur est inférieure à la pression atmosphérique. Il est généralement exprimé en millimètres de mercure. Le vide est mesuré à l’aide d’un vacuomètre. Pour les calculs, la lecture du manomètre est généralement corrigée par rapport à la lecture standard du baromètre de 760 mm comme suit :

Vide corrigé en mm Hg = 760− pression absolue en mm Hg = 760−(hauteur barométrique réelle – vide réel).

Avec une augmentation de la pression de retour :

• la température d’ébullition du sirop diminue
• le rendement de l’usine augmente
• le débit de vapeur diminue

La consommation électrique des pompes est de 313 kW. Pour pomper l’eau chaude du condenseur vers les bassins d’aspersion, deux pompes de 124 kW sont nécessaires. Pour pomper l’eau froide des bassins d’aspersion vers le condenseur, trois pompes de 189 kW sont nécessaires. Le rapport vapeur/bagasse est d’environ 1,8 à 2, c’est-à-dire qu’il faut 1,8 à 2 kg de vapeur pour produire 1 kg de bagasse.

L’augmentation de la température de l’eau d’entrée affecte la condensation des vapeurs présentes dans le condenseur, et donc le vide présent dans le corps des évaporateurs. L’élévation du point d’ébullition du sirop dans le corps d’évaporation augmente la consommation de vapeur et de bagasse. Pour refroidir le condenseur, une grande quantité d’eau de refroidissement est nécessaire.

Le système de refroidissement proposé pour le condenseur, montré à la figure 13, est un système de refroidissement efficace pour le condenseur. Son objectif principal est de réduire la température d’entrée de l’eau de refroidissement à l’aide d’une unité d’absorption des vapeurs, fonctionnant grâce à la chaleur perdue dans les gaz de combustion de la chaudière.

Avantages du système proposé

Les gaz issus de la chaudière sont acheminés à travers un système de lavage, où les matières en suspension et les particules imbrûlées sont retirées. Le gaz traverse ensuite un échangeur thermique, dans lequel l’eau est chauffée par les gaz de combustion. Cette eau chaude servira ensuite de source de chaleur pour le système de refroidissement par absorption. L’eau chaude du condenseur passe à travers le dispositif de refroidissement par absorption, où sa température est abaissée. Cette eau refroidie est ensuite envoyée au condenseur pour assurer le refroidissement.

Le système proposé permettra donc de refroidir l’eau de refroidissement du condenseur et de réduire sa température. L’énergie nécessaire à l’aspersion de l’eau sera économisée. De l’électricité sera toutefois nécessaire pour pomper l’eau du condenseur à travers le refroidisseur à absorption et l’échangeur thermique. Il est proposé d’estimer les économies d’énergie obtenues grâce à cet agencement.

On s’attend aussi à ce que, grâce à la baisse de température du fluide de refroidissement, la condensation de la vapeur d’eau de refroidissement soit plus importante, ce qui créera un vide plus élevé dans l’évaporateur et les plateaux. Cela réduira la température d’ébullition dans l’évaporateur, diminuera la consommation de vapeur et permettra finalement d’économiser de la bagasse.

Comme les particules en suspension présentes dans les gaz sont réduites par le système de lavage, la pollution sur le site de l’usine diminue. De plus, comme l’eau de refroidissement est plus froide, la quantité d’eau nécessaire pour condenser les vapeurs est également plus faible. Cela améliore la sécurité en cas de pénurie d’eau. La baisse de la température d’ébullition améliore aussi la qualité du sucre (Chouhan & Chandrakar, 2014).

Conception et analyse de buses multiples de condenseur à jet d’aspersion à l’aide de MATLAB

Le choix du condenseur est crucial. Dans cette étude, un condenseur barométrique à jet d’aspersion muni de plusieurs buses a été conçu et analysé, au lieu d’un condenseur à jet d’aspersion à buse unique. Le condenseur à jet unique fournit une efficacité de 59% dans une sucrerie, mais après l’utilisation d’un condenseur à jet d’aspersion à buses multiples, le rendement est passé à 79%.

L’amélioration énergétique et l’augmentation de l’efficacité dans les sucreries peuvent rendre l’alimentation électrique de l’usine plus autonome et même permettre l’injection d’excédents d’électricité dans le réseau national.

Lorsque la température de la surface d’un solide est inférieure à la température de saturation d’un gaz condensable, la condensation peut se produire sous deux formes : par film ou par gouttelettes. La seconde offre des coefficients de transfert thermique plus élevés. Dans la plupart des usines, les vapeurs d’échappement reliées à l’appareil à vide se trouvent à une hauteur importante au-dessus du sol. Le condenseur barométrique permet ici une conduite de vapeur d’échappement plus courte, avec deux autres avantages : d’abord une réduction du risque de fuite, ensuite un coût plus faible.

Comme il n’y a aucune pièce mobile, l’entretien est limité. Le condenseur occupe peu d’espace et est facile à installer. La performance de tout condenseur peut être décrite par un bilan thermique.

Dans l’industrie sucrière, les opérations de cristallisation et de raffinage ont lieu, mais la qualité de cristallisation du sucre dépend du rendement du vide du condenseur ainsi que de la quantité d’eau retirée par celui-ci. Pour améliorer l’efficacité avec un condenseur à jet d’aspersion à buses multiples dans l’industrie sucrière, ce type de condenseur comporte 12 buses situées près de sa partie supérieure.

Certaines inclinaisons sont prévues sur les buses afin de pulvériser l’eau à l’intérieur du condenseur, de manière à obtenir un contact maximal entre l’eau et le condenseur. Lorsque certaines vapeurs non condensables entrent en contact avec ce condenseur à jet d’aspersion à buses multiples, toutes les vapeurs se transforment en eau.

Le fonctionnement de tout condenseur à jet s’exprime par un simple bilan thermique. La chaleur ajoutée au système correspond à la quantité de vapeur condensée, en livres par heure, multipliée par la chaleur latente de vaporisation, exprimée en BTU par livre. Cet équilibre est atteint lorsque la chaleur quittant l’eau condensée est égale à celle produite par l’eau, calculée en kilogrammes par heure, multipliée par l’augmentation de température entre l’entrée et la sortie, elle-même multipliée par la capacité calorifique spécifique de l’eau.

Ainsi, l’augmentation maximale de température de l’eau condensée est inférieure à la quantité d’eau nécessaire. Dans des conditions totalement théoriques, un condenseur peut fonctionner sous un vide correspondant à l’égalité entre la température d’entrée et la température de sortie (L & Jayant, 2015).

a. Rendement de la buse multiprise du condenseur à jet d’aspersion

Ce rendement correspond au rapport entre l’élévation de température de l’eau de refroidissement et la différence entre la température de saturation des vapeurs et la température d’entrée de l’eau de refroidissement. D’après l’équation 2-23, si la température de sortie de l’eau du condenseur est d’environ 50 °C, la température d’entrée de l’eau de refroidissement est d’environ 28 °C, et la température de saturation du condenseur est d’environ 56,02 °C, alors le rendement atteint 78,54% (L & Jayant, 2015).

b. Rendement du vide dans la buse multiprise du jet d’aspersion

La pression la plus faible, ou le vide maximal, pouvant exister dans le condenseur correspond à la pression de saturation de la vapeur associée à la température d’entrée de la vapeur dans le condenseur. Cependant, la pression réelle dans le condenseur est toujours supérieure à la valeur idéale. À partir de la valeur du vide déterminée et du codage réalisé sous MATLAB, le graphique suivant a été obtenu.

Le rendement du condenseur à jet d’aspersion à buses multiples est supérieur à celui d’un condenseur à jet d’aspersion simple dans l’industrie. La création d’un programme informatique facilite beaucoup l’analyse de l’effet des différents paramètres de conception du condenseur. Les courbes caractéristiques peuvent également être tracées facilement à l’aide d’un logiciel. De plus, le logiciel aide à déterminer les valeurs de la plage de vide en fonction du temps. En établissant une corrélation empirique et en traçant la courbe caractéristique entre le vide et le temps, on peut estimer le vide pour n’importe quelle période considérée (L & Jayant, 2015).

Identification des sources de chaleur résiduelle dans l’usine sucrière

Gaz de combustion de la chaudière :

• Les gaz de combustion de la chaudière constituent la principale source de chaleur perdue dans l’usine sucrière.
• La valeur essentielle de la chaleur n’est pas seulement sa quantité, mais aussi sa « valeur ». La stratégie de récupération dépend en partie de la température des gaz de chaleur résiduelle et de l’économie associée.
• Une grande quantité de gaz de cheminée chauds est produite par les chaudières, les fours, les poêles et les fours industriels. Si une partie de cette chaleur perdue peut être récupérée, l’énergie perdue dans les gaz résiduels ne peut pas être entièrement récupérée. Toutefois, par des mesures appropriées, une grande partie de cette chaleur peut être récupérée et les pertes réduites.

Vapeur d’eau de la chaudière :
La deuxième source de chaleur perdue dans l’usine sucrière est la vapeur dégagée par la chaudière. La quantité de contenu thermique de cette vapeur peut être calculée afin de contrôler la réduction des matières dissoutes totales (TDS) dans l’eau de la chaudière et d’assurer un fonctionnement stable. La quantité de vapeur évacuée varie de 2 à 3% de la capacité d’évaporation, ou du débit de production de vapeur.

(2−21)

Q=M(b)​⋅C(b)​⋅T(b)​

où Q est la chaleur transférée par kilogramme de sucre, M(b​) est la quantité moyenne de vapeur perdue, égale à 2,5% de la capacité d’évaporation de la chaudière, C(b)​ est la capacité calorifique spécifique de l’eau, soit 4,187 kJ/kg, et T(b) est la température correspondante, égale à 340 °C. On obtient alors :

(2−22)

Q=195,7 kJ/kg

Débordement d’eau chaude :
Une autre source de chaleur perdue dans l’usine sucrière est le débordement d’eau chaude. Les condensats des corps 1 et 2 des évaporateurs sont utilisés comme eau d’alimentation chaude pour les corps 3 et 4 du procédé. En général, la quantité de condensats produite dépasse les besoins du procédé. En mesurant l’excès d’eau chaude, on peut calculer la chaleur transportée par cet excédent.

(2−23)

Q=M(c​)⋅C(c​)⋅T(c​)

Ici, M(c) est la quantité constante de condensat excédentaire obtenue pour 7,5% de canne broyée ((0,075×11)), Cc=4,187 kJ/kg, et la température de l’eau chaude est d’environ 65 °C. 

Finalement :

(2−24)

Q=(0,075).(11).(4,187).(65)

Q=224,5 kJ/kg de sucre

Résultats du système de refroidissement actuel

Les vapeurs provenant des évaporateurs et des récipients sous vide entrent dans les condenseurs à une température d’environ 60 à 65 °C. La chaleur contenue dans ces vapeurs est absorbée par l’eau froide entrant dans le condenseur. La température de cette eau froide est d’environ 30 à 35 °C. L’échange de chaleur entre la vapeur et l’eau dépend du temps de contact de la vapeur avec l’eau froide. La surface de contact entre l’eau froide et la vapeur, ainsi que la température de l’eau de sortie, varient selon les conditions ambiantes. L’eau sortant du condenseur est à environ 45 à 50 °C après avoir refroidi les vapeurs provenant des évaporateurs et des plateaux. La température de l’eau à l’entrée et à la sortie change selon les conditions environnementales, avec t(w2)=44 °C. L’eau chaude sortant du condenseur s’écoule par un canal gravitaire vers le bassin d’aspersion, où elle est refroidie à l’aide de buses d’aspersion. L’eau de refroidissement, à environ 35 à 40 °C, retourne par gravité et est pompée vers le condenseur. Il s’agit donc d’un système fermé (Chouhan & Chandrakar, 2014).

Qualité du sucre

Si la température de l’eau de refroidissement à l’entrée du condenseur t(w1)=37°Cest défavorable, elle réduit le vide des évaporateurs et des plateaux. Cette réduction du vide dans les évaporateurs augmente la température d’ébullition du sirop de 102 °C à 106 °C et diminue la qualité du sucre.

Le diagnostic énergétique est un outil important pour identifier les zones de conservation d’énergie dans l’usine sucrière. Les principales sources de chaleur perdue sont les gaz de combustion de la chaudière, la vapeur dégagée par la chaudière et les eaux chaudes de convection. La principale source de chaleur résiduelle est le gaz de combustion de la chaudière, qui peut être utilisé pour faire fonctionner des refroidisseurs à absorption. Le refroidisseur permet de refroidir l’eau du condenseur.

L’objectif du système de refroidissement alternatif avec refroidisseur à absorption est de réduire l’électricité nécessaire dans le bassin d’aspersion, d’améliorer la condensation des vapeurs dans le condenseur, d’augmenter ainsi l’efficacité du condenseur, de diminuer le point d’ébullition du sirop dans les évaporateurs, et donc de préserver la vapeur et la bagasse (Chouhan & Chandrakar, 2014).

Analyse du processus de réduction de la demande de vapeur et de production d’électricité et d’éthanol à partir de la canne à sucre

L’industrie de la canne à sucre est l’une des activités économiques les plus importantes au Brésil pour la production de sucre et d’éthanol sur les marchés intérieurs et extérieurs. En outre, grâce à l’utilisation de la bagasse de canne à sucre comme combustible dans les centrales de cogénération, de l’énergie thermique et électrique est produite pour la consommation interne. Presque toutes les sucreries brésiliennes sont autonomes sur le plan énergétique, et, ces dernières années, certaines ont vendu leur excédent d’électricité au réseau. La réduction des besoins en vapeur du procédé et l’utilisation de systèmes de cogénération plus efficaces constituent les options les plus prometteuses pour accroître l’excédent d’électricité produit(Ensinas, Nebra, Lozano, & Serra, 2007).

Plus de 300 sucreries fonctionnent au Brésil. Au total, 394,4 millions de tonnes de canne ont été transformées lors de la dernière campagne de récolte (2005/2006) pour produire du sucre et de l’éthanol(UNICA – Unia˜o da Agroindu´ stria Canavieira de Sa˜o Paulo, 2006). Presque toutes les sucreries brésiliennes sont autonomes en énergie thermique, mécanique et électrique (Companhia Nacional de Abastecimento,2006). En général, les systèmes de cogénération à faible rendement reposent sur un cycle vapeur avec de la vapeur vive à 22 bar et 300 °C(Macedo ; Verde Leal ; Hassuani , 2001). La réduction des besoins en vapeur du procédé et des systèmes de cogénération plus efficaces peuvent augmenter l’excédent d’électricité produit. Actuellement, des systèmes de cogénération à pression de vapeur vive supérieure à 60 bar commencent à être mis en place, en fonction des besoins énergétiques de l’usine et de la production d’électricité excédentaire vendable. La capacité totale installée de production d’électricité dans les sucreries brésiliennes utilisant la bagasse est d’environ 2300 MW. Dans le secteur de la canne au Brésil, la plupart des usines produisent du sucre et de l’éthanol dans une ligne intégrée. Certaines utilisent le sirop issu de la canne pour produire du sucre, tandis que la mélasse, sous-produit du procédé sucrier, est utilisée pour produire de l’éthanol dans les distilleries annexes. L’utilisation du sirop de canne pour produire à la fois du sucre et de l’éthanol est aussi très courante, et elle réduit la production de sucre au profit d’une plus grande production d’éthanol (Ensinas, Nebra, Lozano, & Serra, 2007).

Préparation de la canne et concentration du sirop

Un système de lavage est utilisé pour éliminer la grande quantité de terre, de pierres et de déchets accompagnant la canne avant son entrée dans le système de concentration. Après le lavage, la canne est préparée à l’aide de couteaux rotatifs et de déchiqueteurs, qui réduisent la matière alimentée vers les moulins en petits morceaux adaptés au procédé d’extraction suivant. Le système d’extraction du jus, par compression de la canne, sépare la bagasse du jus. La bagasse est utilisée comme combustible dans le système de cogénération, et le jus brut produit est envoyé vers le système de purification (Ensinas, Nebra, Lozano, & Serra, 2007).

Purification du jus

Certaines impuretés non sucrées sont retirées par l’ajout de réactifs chimiques tels que le soufre, la chaux, etc., et par le chauffage du jus nécessaire aux réactions de purification. Ensuite, le jus passe par un bac à cendres avant d’entrer dans les équipements de lavage. Le précipité formé dans les clarificateurs est séparé du jus purifié et dirigé vers d’autres sections. Après filtration, une partie du jus retourne au procédé de pré-clarification, et le gâteau de filtration reste séparé. Le jus purifié peut alors être dirigé vers le système d’évaporation. La purification du jus pour la production d’éthanol et de sucre peut présenter un comportement très similaire à l’étape d’ajout de soufre, utilisée exclusivement pour la production de sucre (Ensinas, Nebra, Lozano, & Serra, 2007).

Fermentation

Dans les usines intégrées sucre-éthanol, un mélange de mélasse et de sirop est utilisé pour préparer le moût. Une partie de l’eau est concentrée afin d’atteindre la teneur en matières sèches requise pour la fermentation. De l’eau de bonne qualité est également nécessaire pour la préparation du moût et pour le laveur de CO2. Le moût fermenté produit environ 8% d’éthanol en masse et est envoyé vers le système de distillation pour séparation de l’eau (Ensinas, Nebra, Lozano, & Serra, 2007).

Distillation

L’éthanol produit lors de la fermentation est récupéré par distillation. Avant d’entrer dans la première colonne de distillation, le moût fermenté est chauffé pour atteindre la température appropriée au procédé. L’éthanol hydraté est obtenu par rectification et par stripping. Pour éliminer l’eau résiduelle et obtenir de l’éthanol anhydre, une étape de déshydratation est nécessaire. Une grande quantité de vinasse est produite et doit être évacuée en raison de sa forte charge en DBO et DCO.

Réservoir de condensats et système de refroidissement de l’eau

Le réservoir de condensats reçoit tous les condensats produits dans le procédé, à l’exception des condensats de vapeur d’échappement qui sont renvoyés au système de régénération. Des réservoirs séparés sont utilisés pour stocker les condensats chauds, comme ceux issus de la condensation des vapeurs des évaporateurs 1, 2, 3 et 4, qui sont consommés comme eau liquide dans le système de concentration du sirop et pour le lavage utilisé dans la séparation du sucre et de la mélasse ainsi que dans la purification du jus. Le système de refroidissement de l’eau est constitué de bassins d’aspersion, qui abaissent la température de l’eau condensée afin qu’elle puisse être réutilisée dans le procédé comme eau de refroidissement dans la fermentation, la distillation, le lavage de la canne et les systèmes sous vide.

Intégration du procédé dans la filière sucre-éthanol

Une évaporation maximale dans les évaporateurs à effets multiples, et non dans les cuves, permet d’augmenter autant que possible la teneur en matières sèches du sirop. L’augmentation du nombre d’évaporateurs et la réduction de la consommation de vapeur dans les cuves, voire son remplacement, minimisent l’eau consommée dans les cuves et les centrifugeuses. Pour réaliser la première étape de chauffage du jus brut, il faut utiliser les condensats des réchauffeurs de liquides. Cela permet aussi de refroidir les condensats afin qu’ils puissent être utilisés comme vapeur saturée sur la ligne de production.

L’utilisation de la vapeur pour chauffer le sirop permet d’augmenter la température de la vapeur en circulation et donc d’obtenir davantage de vapeur en circulation. Parmi les mesures importantes pour accroître la production d’électricité dans les sucreries de canne figurent notamment l’utilisation maximale des flux de vapeur, l’emploi de cuves de cuisson continue du sucre, le remplacement des turbines à vapeur entraînant directement les équipements de ligne par des moteurs électriques, ainsi que l’augmentation des paramètres de vapeur vive et du rendement de la chaudière.

Il existe peu d’informations quantitatives intégrées sur le processus sucre-éthanol, notamment dans les analyses pondérées de valeur ajoutée. Pour le procédé éthanol de canne à sucre, un système intégrant plus de 50% de la réversibilité totale produite dans l’usine, suivi d’un système de concentration du sirop représentant plus de 30% de la production totale du système, a été défini. La distillation du procédé éthanol consomme une grande quantité de vapeur pour ses propres besoins thermiques. L’intégration des colonnes de distillation avec un système de distillation à double pression peut permettre de réduire la demande en vapeur. L’étape de déshydratation, utilisée pour produire de l’éthanol anhydre, est généralement réalisée par distillation azéotropique au benzène ou au cyclohexane. Une déshydratation par tamis moléculaires peut être utilisée pour réduire de manière importante les besoins en vapeur.

Le sucre et l’éthanol produits dans le système de concentration du sirop sont répartis de manière à ce que la moitié aille vers le procédé sucrier et l’autre moitié vers la production d’éthanol. La mélasse issue du procédé sucrier est utilisée comme sous-produit pour l’éthanol et est mélangée au sirop lors de la préparation du moût pour la production d’éthanol. La bagasse produite dans le système de concentration est utilisée comme combustible dans le système de cogénération (Ensinas, Nebra, Lozano, & Serra, 2007).

Cas de base

Un cas de base a été simulé, représentant le schéma habituel sucre-éthanol au Brésil. Cette usine n’est pas intégrée thermiquement, et tous les besoins de chauffage sont satisfaits à l’aide de la vapeur d’échappement produite dans le système de cogénération. Le tableau 12 présente les paramètres retenus pour la simulation du procédé et du système de cogénération. Quelques équipements du procédé sont décrits ci-dessous : système de concentration avec moulins électriques ; chauffage du jus dans le système de purification de 35,0 °C à 105,0 °C ; système d’évaporation à cinq effets ; jus entrant à 97,0 °C dans le premier effet, avec concentration de 13,4% à 65,0% de matières sèches ; système de cuisson du sucre avec double schéma d’ébullition ; moût fermenté chauffé de 30,0 °C à 90,0 °C ; système de distillation comprenant des colonnes de séparation et de rectification à pression atmosphérique ; système de déshydratation par distillation azéotropique au cyclohexane (Ensinas, Nebra, Lozano, & Serra, 2007).

L’augmentation de la teneur en matières sèches du sirop de 65,0% à 72,0% permet de réduire la quantité de vapeur nécessaire au système de cuisson du sucre et d’augmenter la quantité de vapeur disponible pour chauffer les autres sections du procédé. Les besoins thermiques du système de cuisson du sucre peuvent être couverts par la vapeur produite dans le troisième évaporateur. Le chauffage du jus purifié par un courant de vapeur pour porter sa température près du point d’ébullition au premier effet d’évaporation peut réduire les besoins en vapeur rejetée dans le système d’évaporation. Le remplacement du système de distillation conventionnel par un système de distillation à double pression pour produire de l’éthanol hydraté et le rebouillage dans des colonnes vides fonctionnant sous vide, tandis que la colonne de rectification fonctionne à pression atmosphérique, est plus approprié. En outre, les tamis moléculaires, qui réduisent la consommation de vapeur à l’étape de déshydratation, remplacent le système de distillation azéotropique au cyclohexane. Une nouvelle conception du système d’évaporation et du réseau de réchauffeurs a ainsi été obtenue, en utilisant les condensats chauds et les courants de vapeur comme sources de chaleur pour les autres parties du procédé, ce qui a réduit les pertes du système de condensation au dernier effet de l’évaporation.

Les besoins en énergie thermique et électrique du procédé doivent être couverts par ce système, et l’excédent d’électricité produite doit être destiné à la vente au réseau.

Configuration 1 : la première analyse de configuration correspond à un cycle vapeur avec turbine à contre-pression (figure 15). Dans ce cas, le procédé sucrier détermine la quantité de vapeur que la chaudière peut produire, car il n’existe pas de système de condensation. Ce système de cogénération est le plus courant dans le secteur brésilien de la canne à sucre, et il ne peut fonctionner que pendant la campagne. Même avec une augmentation de la pression et de la température de la vapeur vive, la bagasse disponible peut satisfaire les besoins en vapeur.

Les systèmes nouveaux, avec des paramètres de vapeur vive plus élevés, peuvent augmenter considérablement la production d’électricité excédentaire et atteindre jusqu’à 70 kWh par tonne de canne pour le niveau de vapeur vive le plus élevé. La seconde conséquence est que l’excédent de bagasse peut dépasser 50% de la bagasse totale produite. Dans ce cas, une grande quantité de bagasse excédentaire peut être utilisée pour produire de la vapeur destinée à d’autres sous-produits ou comme matière première pour d’autres activités. Elle peut par exemple servir à l’alimentation animale, ou comme matière première pour la production de pâte à papier, de papier et de panneaux. D’autres produits peuvent aussi être fabriqués à partir de la bagasse, comme l’éthanol et des produits chimiques, mais cela n’est pas encore réellement appliqué à grande échelle (Ensinas, Nebra, Lozano, & Serra, 2007).

Configuration 2

La deuxième configuration est un cycle vapeur avec turbine à condensation et condenseur (figure 16). Dans ce cas, le condenseur offre une capacité plus élevée, ce qui permet un fonctionnement toute l’année, pendant la campagne comme hors campagne. La pression de condensation adoptée était de 0,085 bar.

Dans cette configuration, toute la bagasse disponible est consommée par le système de cogénération. La réduction de la demande de vapeur obtenue dans le cas amélioré peut augmenter la production d’électricité excédentaire de plus de 30% par rapport au cas de base. En outre, cette configuration permet la production d’électricité pendant la campagne et hors campagne.

Dans le cas de base, la configuration II n’était pas particulièrement intéressante, car l’électricité produite dans la dernière étape de la turbine à vapeur, responsable de l’expansion des vapeurs de 2,5 bar jusqu’à la pression du condenseur, ne représentait qu’environ 2 à 4% de la production électrique totale. Elle exige donc de nouveaux équipements, tels qu’un condenseur et des systèmes de refroidissement de l’eau. Ce type de turbine à condensation ne devient réellement pertinent que pour les grandes unités, où il peut fournir une part importante de la production électrique.

Configuration 3

La troisième configuration analysée repose sur la gazéification de la biomasse. Le séchoir à bagasse, le gazéifieur et le système de nettoyage du gaz constituent l’unité de gazéification, qui produit un gaz utilisé comme combustible dans la turbine à gaz (figure 17). Ce gaz est ensuite comprimé pour atteindre la même pression que l’air comprimé à l’entrée de la chambre de combustion. Les gaz d’échappement de la turbine à gaz sont utilisés pour produire de la vapeur dans une chaudière de récupération de chaleur à 2,5 bar.

Cette configuration permet de produire 420 kg de vapeur par tonne de canne à sucre, ce qui ne suffit pas à couvrir la demande en vapeur du cas de base. Environ 29% de bagasse supplémentaire est nécessaire pour produire la vapeur requise par le procédé du cas de base. Dans le cas amélioré, 34% de l’excédent de bagasse produit génère 67,0 kWh par tonne de canne sous forme de gaz de turbine. Si toute la bagasse est consommée, l’excédent de production d’électricité peut atteindre 114,9 kWh par tonne de canne, ce qui n’est que 14% de plus que la configuration II avec un niveau de vapeur vive de 3. Ainsi, par comparaison avec la configuration II, qui est une technologie commerciale, la configuration III semble économiquement peu intéressante pour la production d’électricité (Ensinas, Nebra, Lozano, & Serra, 2007).

Analyse des volumes d’eau et d’eaux usées dans le procédé de fabrication du sucre

Ligne de production : les eaux usées sont constituées de l’eau utilisée pour nettoyer le sol de la ligne de production, qui est nécessairement souillé par des déversements de sirop sucré et collant. Cette opération de nettoyage empêche la croissance bactérienne sur les sols recouverts de sirop. L’eau utilisée pour le refroidissement des turbines fait également partie des effluents de cette source. Cette eau contient essentiellement des matières organiques telles que le saccharose, la bagasse fine, ainsi que des huiles et des graisses provenant des roulements installés dans les turbines.

Eaux usées de la section chaudière : les effluents de la section chaudière résultent de fuites au niveau des pompes, des tuyauteries et du lavage de diverses unités telles que les évaporateurs, les réchauffeurs de sirop, les clarificateurs, les cuves de cristallisation en fonctionnement, les centrifugeuses, etc. L’eau de refroidissement provenant de diverses pompes, comme la pompe à vide, constitue également une partie de ces effluents.

Eaux usées de la chaudière à vapeur : l’eau utilisée dans la chaudière contient des solides en suspension et des solides dissous, tels que des sels de calcium, de magnésium, de sodium, des sels gras, etc. Ces sels se concentrent au fur et à mesure que le volume d’eau diminue pendant l’opération. Ces solides doivent être purgés périodiquement afin d’éviter la formation de dépôts sur les parois internes de la chaudière.

Condensats excédentaires : les condensats excédentaires ne contiennent normalement pas de polluants et sont utilisés comme eau d’alimentation de chaudière et pour les opérations de lavage. Parfois, lorsqu’ils sont contaminés par du sirop contenant des matières solides, ils deviennent une eau polluée. Si ces eaux sont évacuées vers la filière des eaux usées, le traitement requis est presque négligeable en raison de leur faible pollution. Elles peuvent remplacer l’eau brute ou être utilisées directement comme eau d’irrigation après refroidissement à température ambiante.

Eau de refroidissement du condenseur : l’eau de refroidissement du condenseur est réutilisée en recirculation, sauf si elle est contaminée par du sirop, ce qui peut se produire à cause de séparateurs défectueux, d’un mauvais fonctionnement dû à un dépassement de la capacité de conception des évaporateurs, etc. Si elle est contaminée, elle doit être immédiatement purgée. Ce volume d’eau augmente également avec les vapeurs non condensables excédentaires et les vapeurs provenant du sirop bouilli dans les plateaux.

Résidus de soude et d’acide : les échangeurs thermiques et les évaporateurs sont nettoyés à l’aide de soude caustique et d’acide chlorhydrique afin d’éliminer les dépôts sur les parois internes et les surfaces des tubes. En Inde, la plupart des sucreries laissent ces solutions chimiques de valeur s’écouler dans le drainage. Les solutions de lavage à la soude et à l’acide contiennent des quantités importantes de polluants organiques et inorganiques et peuvent provoquer un choc de charge dans la station d’épuration une fois toutes les deux semaines (Sharma & Kumar, 2015).

L’industrie sucrière est l’un des secteurs les plus importants de l’agro-industrie en Inde. L’industrie de la canne à sucre joue un rôle majeur dans l’économie indienne ainsi que dans les recettes en devises, mais elle contribue aussi fortement à la pollution de l’environnement par le rejet de ses eaux usées. Avec l’expansion des sucreries, cette pollution aggrave les conditions environnementales et représente une menace croissante. Quatre sucreries ont été sélectionnées afin d’analyser la composition de leurs effluents, qui constituent une source majeure de pollution de l’eau. Les résultats ont montré que, d’une manière générale, ces effluents dépassent les limites fixées par le CPCB pour des paramètres tels que la DBO, la DCO, les huiles et graisses, ainsi que les solides en suspension totaux. Si les mesures proposées sont mises en œuvre, le niveau des eaux usées issues de l’analyse peut être réduit (Sharma & Kumar, 2015).

La canne à sucre est l’une des industries les plus importantes du Brésil, principalement en raison de l’éthanol. Comparé à d’autres combustibles fossiles, l’éthanol présente un faible coût de production et de faibles émissions de gaz à effet de serre par unité d’énergie produite. Cependant, plusieurs auteurs ont exprimé des inquiétudes concernant la forte consommation d’eau attendue dans les années à venir pour la production de biocarburants. Ce travail propose une réduction de la consommation d’eau dans l’étape industrielle, en tenant compte des contraintes de demande et de qualité de l’approvisionnement. Le mélange d’alimentation en eau, grâce à la réutilisation directe de 648 litres par tonne de canne et à 176 litres par tonne supplémentaires par réutilisation indirecte via des flux recyclés, a permis de réduire le prélèvement externe nécessaire à 405 litres par tonne de canne, c’est-à-dire à une valeur conforme aux limites autorisées (Sharma & Kumar, 2015).

Les eaux usées de l’industrie sucrière constituent un problème complexe et un défi pour les ingénieurs de l’environnement, tant du point de vue du traitement que de la réutilisation. Avant tout traitement et toute valorisation, la détermination des paramètres physicochimiques constitue une étape essentielle. Diverses techniques ont été proposées et modifiées à cette fin, mais elles dépendent des paramètres de qualité de l’eau. L’objectif principal de cette étude est de déterminer les caractéristiques physicochimiques des eaux usées de l’industrie sucrière selon des méthodes standard, et de minimiser la consommation d’eau douce dans cette industrie par une méthode de recyclage de l’eau (Sharma & Kumar, 2015).

Bilan d’eau froide

L’eau nécessaire pendant le procédé est répartie comme suit :

5% d’eau recyclée pour le refroidissement des turbines : (0,05×5×3600)/1000=0,9 tonne/h.

Refroidissement des gaz SO(2) des fours au soufre et des compresseurs d’air : 3 tonnes/h.

Refroidissement des garnitures des pompes : 2 tonnes/h.

Lavage du laboratoire et usages divers : 1 tonne/h.

Bassin d’aspersion de l’eau en circulation avec une capacité de 681 et 315 L/s.

La capacité totale requise du bassin d’aspersion (1992 L/s)(1992 \text{ L/s})(1992 L/s) est :

(1992×3600)/1000=7171,20 tonnes/h

Donc, l’eau totale requise est de 78,61 tonnes/h.Les condensats excédentaires reçus sont de 46,878 tonnes/h.
L’eau froide requise est donc :

78,61−46,87=31,73 tonnes/h

Bilan d’eau chaude

La figure 2-2 montre l’utilisation de la totalité de l’eau contenue dans le sirop, qui est récupérée pour produire des cristaux de sucre solides. La quantité totale d’eau est de 60,13 tonnes/h provenant de la canne broyée. À cela s’ajoutent 1,406 tonne/h par ajout de lait de chaux et 10,35 tonnes/h d’eau chaude issue de la dernière turbine.

Cette eau est récupérée à différentes étapes : 27,30 tonnes/h dans la cellule de vapeur,22,49 tonnes/h dans les évaporateurs,11,359 tonnes/h dans les cuves.

Elle est ensuite envoyée par les condenseurs vers le réservoir d’eau chaude pour recirculation et réutilisation.

Plus de 46,878 tonnes/h d’eau de condensat sont envoyées vers le bassin d’aspersion, où elles sont refroidies par pulvérisation, avec ajout de 31,73 tonnes/h d’eau froide propre pour compenser les pertes par évaporation. L’eau présente dans le bassin d’aspersion est utilisée pour le refroidissement des moteurs, des compresseurs et d’autres équipements en circulation.

La demande en eau froide est de 61,78 tonnes par heure. Elle peut être réduite à 31,73 tonnes par heure en utilisant les condensats excédentaires, soit 46,878 tonnes par heure, comme eau de refroidissement avec une baisse de température à l’atmosphère. La demande en eau froide fraîche peut ainsi être réduite de 59,63% grâce à la récupération des condensats de turbine (Sharma & Kumar, 2015).

L’utilisation de vapeur vive pour le nettoyage entraîne une perte d’eau propre destinée à l’alimentation de la chaudière, et cette eau est difficile à remplacer. C’est pourquoi l’eau condensée doit être utilisée à des fins de nettoyage. Cela réduit les TDS (solides dissous totaux) et diminue le débit de purge de vapeur correspondant de la chaudière (Sharma & Kumar, 2015).

Introduction aux nouvelles technologies et aux dispositifs de protection environnementale pour le traitement de l’eau et des eaux usées

Les nouvelles innovations d’ingénierie visent à éviter l’utilisation de composants coûteux et peu efficaces, comme les ventilateurs, les asperseurs et les séparateurs de gouttelettes. Le refroidissement et l’aération de l’eau chaude s’effectuent à un niveau très avancé par dispersion de gouttelettes, formées au moyen d’asperseurs spécialement conçus et installés dans des cadres de circulation d’air. Dans ce cas, les gouttelettes d’eau bien dispersées remplissent uniformément l’espace de refroidissement libéré par l’asperseur (Polivanova et al., 2015)

Dans ce type de refroidisseur, l’air chaud et humide s’élève, tandis que l’eau refroidie est recueillie dans un réservoir. Une caractéristique distinctive du système de sortie est que l’air refroidi est expulsé par le jet d’eau de la tour. L’efficacité économique d’un refroidisseur de sortie est déterminée selon les éléments suivants : réduction de la consommation d’énergie, diminution des coûts de maintenance, amélioration des effets de refroidissement et d’aération, ainsi qu’une capacité d’évacuation de la charge thermique allant jusqu’à 30 à 35 mille kJ/(h·m²). La deuxième option consiste à envisager la modernisation et le développement d’un type de tour à colonne pour les refroidisseurs de conception mécanique (Polivanova et al., 2015).

Le refroidissement et l’aération sont assurés grâce au contact entre l’air et la phase très dispersée de l’eau refroidie. Afin d’augmenter l’efficacité du refroidissement et de l’aération, l’air est introduit dans la zone des asperseurs au moyen d’un ventilateur installé à la cote +0,00. Traditionnellement, les sucreries utilisent des colonnes de refroidissement mécaniques à longue durée de vie. Cela signifie toutefois que les asperseurs, les chicanes en bois et les ventilateurs finissent par s’user, ce qui entraîne des coûts d’entretien importants. Les conceptions proposées peuvent présenter une rentabilité élevée grâce à la réduction des coûts de maintenance, à un traitement plus efficace de l’eau et à une amélioration de la chimie de l’eau.

Les eaux de transport et de lavage, débarrassées des impuretés lourdes, sont nettoyées dans des bassins de décantation où leurs dépôts se déposent, puis elles sont finalement recyclées. Les bassins de décantation radiaux de type à compartiment, utilisés dans la plupart des sucreries en activité, présentent une faible protection de l’environnement. Ils ne garantissent pas le niveau de nettoyage nécessaire des eaux de transport et de lavage, ce qui entraîne une baisse de la production de sucre, une surconsommation d’énergie thermique et d’eau douce, ainsi qu’une augmentation du volume des eaux usées. La stabilité de fonctionnement des bassins de décantation est plus faible dans le cas radial (K(y) = 0,6) que dans le cas vertical (K(y) = 0,85), en raison du grand nombre de machines et d’appareils dynamiques.

Après la clarification (étape II), il n’existe pas de système d’eau pour le lavage de la betterave sucrière. L’objectif et l’intérêt du développement de technologies respectueuses de l’environnement sont les suivants :

• optimiser le traitement de l’eau recyclée de transport et de lavage dans le processus de production ;
• réduire le volume des boues issues de la décantation, qui doivent être retirées du système de recirculation et envoyées vers le système de traitement.

Compte tenu de la conception et de l’efficacité du procédé de décantation verticale, les bassins verticaux apparaissent comme la solution la plus rationnelle, car leurs caractéristiques de fonctionnement peuvent produire les effets environnementaux les plus favorables. Par rapport aux bassins de décantation radiaux, les dispositifs verticaux présentent plusieurs avantages en matière de conception, de traitement et de stabilité de fonctionnement (K(y) = 0,85). Ils permettent :

• de contrôler la quantité de matières décantées et leur humidité, ce qui garantit une meilleure qualité de l’eau clarifiée, une diminution de la consommation d’eau douce et du volume des eaux usées industrielles 
• après transfert de l’eau clarifiée et prête au lavage, de l’utiliser pour le lavage des betteraves, afin d’atteindre une réduction de la consommation d’eau douce allant jusqu’à 90% 
• une utilisation plus efficace des réactifs et des désinfectants pour les eaux de transport et de lavage ;
• une réduction de la formation de mousse jusqu’à 1,7 fois 
• une diminution de la contamination microbiologique

La méthode la plus connue de traitement des eaux usées dans les sucreries est leur épuration biologique naturelle au moyen de champs de filtration ou de bassins biologiques. Cependant, la hausse des coûts liés à la consommation d’eau, aux frais de rejet des effluents et à l’utilisation des terrains réservés aux champs de filtration, ainsi que la dégradation générale de l’environnement, exigent des procédés de traitement plus efficaces et plus économiques. De nombreux inconvénients des méthodes biologiques naturelles peuvent être supprimés en utilisant des procédés de traitement biologique artificiel pour l’épuration des eaux usées industrielles et administratives des sucreries. Ces procédés sont plus compacts et ne nécessitent pas de grandes surfaces.

Les procédés anaérobies constituent une nouveauté dans le traitement des eaux usées des sucreries. Ces effluents contiennent une forte proportion d’impuretés mécaniques, qui nuisent considérablement au traitement biologique. La coagulation des particules mécaniques est donc une condition préalable au traitement anaérobie. La teneur en particules mécaniques avant traitement anaérobie ne doit pas dépasser 0,1 à 0,2 kg/m³. Pour l’épuration biologique des eaux usées des sucreries, il est proposé d’utiliser un système comprenant un réacteur anaérobie, un floculateur avec bassin de décantation à plaques, un réacteur aérobie et un décanteur, ainsi que des équipements auxiliaires tels que des pompes, des instruments de contrôle et des dispositifs consommateurs de biogaz (Polivanova et al., 2015).

Les eaux usées contenant des sédiments en circulation sont acheminées vers la partie inférieure du réacteur, où elles sont complètement mélangées. Pendant que le gaz produit monte au cours du processus de mélange dans le réacteur, l’eau reste dans le réacteur anaérobie pendant 2 à 2,5 jours. Ensuite, l’eau anaérobie avec ses résidus est envoyée vers le floculateur.

La dernière étape est un réservoir cylindrique vertical, séparé par une paroi placée à 1 m au-dessus du fond, ce qui le divise en deux compartiments. L’eau avec les résidus anaérobies est introduite dans la partie supérieure du premier compartiment, où la boue libère des bulles de gaz en se déplaçant de haut en bas. Dans le deuxième compartiment, la boue se déplace de bas en haut, avec des particules résiduelles de plus grande taille, ce qui favorise leur sédimentation. Afin d’éviter la sédimentation à l’intérieur du deuxième compartiment, celui-ci est équipé d’un dispositif de mélange latéral.

La pulpe obtenue est ensuite envoyée vers un bassin de décantation à plaques. Après ce bassin, elle retourne vers le réacteur anaérobie à hauteur de 150% de la masse des eaux usées clarifiées. L’eau reste dans le floculateur et dans le bassin de décantation pendant 10 à 20 minutes. Ce temps est insuffisant pour permettre l’accumulation de biogaz susceptible d’empêcher la sédimentation.

Après le traitement anaérobie, l’eau est transférée vers l’étape de purification aérobie, composée d’un réacteur aérobie et d’un bassin de décantation. Dans le réacteur aérobie, l’eau est mélangée à des boues aérobies et intensément aérée. Les impuretés résiduelles y sont transformées en CO2. Depuis le réacteur aérobie, les boues sont dirigées vers le bassin de décantation, où les boues aérobies se déposent. Une partie de ces boues est renvoyée vers le réacteur aérobie. La plus grande partie des éléments biogènes et des substances nécessaires à la poursuite du processus aérobie est également recyclée avec ces boues.

Le biogaz issu de la fermentation contient jusqu’à 70% de méthane, 20% de dioxyde de carbone, 8% d’azote et 2% d’hydrogène. Ce gaz est soit évacué vers la sortie du réacteur par un accumulateur de biogaz, soit collecté dans un gazomètre humide. Par la suite, le biogaz peut être utilisé dans la section de séchage de la pulpe. L’excès de gaz est brûlé dans une torche à gaz.

Il est proposé ici d’utiliser des réacteurs anaérobies physiques pour le traitement des eaux usées des sucreries, selon un principe similaire à celui des digesteurs anaérobies utilisés pour le traitement par fermentation des eaux usées domestiques. Les sucreries disposent généralement de grandes quantités de chaleur perdue, provenant des condensats gazeux de la section d’évaporation et des appareils sous vide, qui peuvent être utilisées pour maintenir la température nécessaire à la fermentation anaérobie des eaux usées. Les méthodes proposées peuvent améliorer le degré d’épuration, permettre la réutilisation de l’eau propre dans les processus de production et réduire la charge de filtration, ce qui améliore les conditions environnementales sur le site de l’usine sucrière (Polivanova et al., 2015).

Le besoin en eau a été minimisé : l’eau requise avant recyclage et ajustement a été mesurée, puis après recyclage pour une sucrerie de capacité moyenne de broyage de canne à sucre de 1620 tonnes/jour, comme indiqué dans le tableau 11. La consommation d’eau est passée de 1470,04 m³/jour à 139,66 m³/jour. La production d’eaux usées a diminué de 592,18 m³/jour à 126,81 m³/jour (tableau 2-16) (Gunjal & Gunjal, 2013).

La récupération de l’eau de pluie est une source d’eau précieuse, car elle est disponible gratuitement et sa qualité est bonne, avec une très faible teneur en sels dissous. Pendant chaque mousson, une grande quantité d’eau de pluie de bonne qualité s’écoule des bâtiments, des routes et des espaces ouverts vers les caniveaux. Les sucreries disposant de vastes surfaces devraient mettre en place un système approprié de filtration et de collecte de l’eau de pluie sur le site de l’usine, puis la stocker pour un usage industriel. L’eau de pluie récupérable peut être calculée à partir de la surface totale disponible et de la pluviométrie moyenne de la région. Cette eau de pluie traitée peut ensuite s’infiltrer dans un puits de recharge afin d’améliorer la productivité. Comme elle présente très peu de solides dissous et une dureté faible, son traitement réduit le coût de production, notamment pour l’alimentation de la chaudière, l’eau de refroidissement ou l’utilisation dans le bassin d’aspersion (Gunjal & Gunjal, 2013).

Le recyclage et la réutilisation peuvent inclure : la mise en place d’un circuit de recirculation de l’eau pour le refroidissement des paliers, la récupération de l’eau du condenseur à raison de 100 MT par tonne de canne broyée, la réutilisation de l’eau de refroidissement des lignes de production et des turbines pour le brûleur au soufre, les compresseurs d’air et le refroidissement des pompes à vide, l’installation d’une tour de refroidissement pour refroidir l’eau des brûleurs de soufre et des compresseurs d’air, ainsi que l’utilisation de la vapeur d’eau produite comme eau d’alimentation de chaudière. Il est aussi recommandé d’utiliser l’eau de purge de chaudière pour le lavage humide ou, après refroidissement, pour le bassin d’aspersion; d’employer l’eau d’injection pour le décendrage, le chauffage des réchauffeurs de sirop, des évaporateurs et le nettoyage général; de réutiliser autant que possible les eaux de lessive de soude; et de collecter et réutiliser les condensats pour les chaufferies, les tours de refroidissement, les laveurs humides et les bassins d’aspersion (Gunjal & Gunjal, 2013).

La réduction et la récupération peuvent également être obtenues par la création d’un puits de collecte commun le long de la ligne de production pour récupérer les fuites de sirop provenant des pompes, le renvoi des débordements de sirop vers le réservoir de sirop brut à l’aide d’une pompe séparée, et la réinjection du sirop renversé dans un puits de collecte à l’aide de pompes et d’éjecteurs de vapeur. Il faut aussi empêcher l’entrée des pulpes liquides dans les condensats allant vers le condenseur, collecter par gravité la section de lavage huileux et la renvoyer vers le réservoir de filtration, contrôler automatiquement les débordements des réservoirs, minimiser les fuites d’eau de refroidissement des pompes, effectuer un nettoyage à sec des sols latéraux, installer des réchauffeurs de sirop utilisant les condensats supplémentaires, limiter l’usage des tuyaux d’eau pour le nettoyage non essentiel, réutiliser les condensats collectés des chaudières, utiliser la vapeur du clarificateur pour chauffer le sirop clarifié, laver les corps de plateaux avec la vapeur de double effet, éviter l’utilisation d’eau brute pour le procédé, installer un réservoir de rétention pour les eaux très polluées et mettre en place un système ETP comprenant digestion anaérobie ou filtre percolateur, digestion aérobie, filtration sous pression, filtration au charbon et réutilisation des eaux traitées (Gunjal & Gunjal, 2013).

La tenue de registres comprend l’enregistrement quotidien de l’eau entrante à l’aide de compteurs distincts pour l’usage industriel, administratif et agricole, ainsi que le contrôle de la qualité de l’eau de refroidissement par ajout d’eau de mélange issue des condensats supplémentaires et de la chaudière, avec suivi journalier du TDS, des chlorures, des sulfates, de la conductivité et du pH. Il faut aussi enregistrer quotidiennement les eaux usées brutes et traitées en termes de débit et de qualité. La conclusion principale est qu’une usine peut mettre en œuvre un programme de collecte des eaux de pluie et récupérer les condensats supplémentaires après refroidissement. Le contrôle de la qualité de l’eau du bassin d’aspersion permet de ramener la production d’eaux usées à moins de 100 litres par tonne de canne. Pour la récupération des eaux usées, l’effluent traité de l’ETP existant peut être envoyé vers un troisième système comprenant un réservoir de polissage, une filtration sous pression, du charbon actif et une désinfection par chloration (Gunjal & Gunjal, 2013).

Procédé d’extraction du sucre dans les usines moyen-orient

La betterave sucrière ou la canne à sucre, dès leur réception à l’usine, subissent une série d’étapes destinées à produire du sucre, de la pulpe et de la mélasse, qui constituent les trois produits généraux des sucreries de betterave, ou bien du sucre, de la bagasse et de la mélasse, qui sont les trois produits généraux des sucreries de canne à sucre.

Mesure de la richesse

Comme le critère d’évaluation de la qualité de la betterave, ainsi que du prix payé aux cultivateurs, est le pourcentage de sucre contenu dans la racine, chaque chargement est pesé dès son arrivée à l’usine, puis sa masse nette est déterminée. Ensuite, à la station de polarisation, un échantillon est prélevé, lavé, transformé en pâte, puis en jus, et enfin la teneur en sucre est mesurée au polarimètre et enregistrée.

Déchargement et stockage en silos

Après pesée et prélèvement d’échantillons pour déterminer la richesse et les pertes, les betteraves de chaque chargement sont déchargées à l’aide d’installations équipées de grilles, qui éliminent la majeure partie de la terre et des impuretés. Elles sont ensuite stockées dans des silos et sur des plates-formes de l’usine.

Lavage

Les betteraves stockées sont acheminées, selon la capacité de l’usine, dans des canaux où circule de l’eau à forte pression afin de les laver et d’éliminer les feuilles, les collets et les autres impuretés.

Découpage en cossettes

Les betteraves lavées et nettoyées sont élevées jusqu’au point le plus haut de l’usine à l’aide de la pulpe et d’une pompe spéciale. Elles sont ensuite envoyées vers la trancheuse pour être découpées en fines lamelles.

Diffusion

La diffusion est l’opération par laquelle le sucre est extrait des cossettes de betterave. Elle repose sur le principe de l’osmose : les cossettes se déplacent à contre-courant de l’eau chaude, de sorte que le sucre qu’elles contiennent se dissout progressivement et que la concentration en sucre du jus augmente continuellement. Cette extraction continue se fait dans un cylindre vertical ou horizontal. Le jus sucré sort d’un côté, tandis que les cossettes épuisées, sous forme de pulpe, sortent de l’autre et sont envoyées au séchage. Le jus obtenu contient approximativement 13% de sucre, 83% d’eau et 4% de matières étrangères.

Chaulage

Le chaulage consiste à ajouter du lait de chaux au jus sucré afin d’éliminer une grande quantité d’impuretés.

Carbonatation

La carbonatation consiste à insuffler du dioxyde de carbone dans le mélange jus-sucre-eau-chaux afin de récupérer la chaux ajoutée par la formation d’un précipité insoluble de carbonate de calcium, tout en entraînant la sédimentation des matières non sucrées, des matières colorantes et des substances albuminoïdes.

Filtration

Cette étape permet de séparer les dépôts précipités et de les évacuer hors de l’usine sous forme de boues de filtration. Le jus obtenu, propre et clair, est appelé jus dilué. À ce stade, le degré de pureté du jus a augmenté d’environ 40%. Ce jus dilué contient 13 à 15% de matière sèche et 80 à 85% d’eau, et il doit donc être concentré.

Évaporation

Pour éliminer l’excès d’eau, le jus dilué est placé dans des appareils d’évaporation disposés en série. Les vapeurs d’eau produites, qui possèdent une chaleur utile et une température d’environ 120 à 130 degrés, sont utilisées dans le second appareil pour chauffer le jus. De cette manière, on obtient dans le dernier évaporateur un jus épais d’environ 70° de concentration, appelé sirop concentré.

Cristallisation

Le sirop obtenu est ensuite concentré progressivement dans des chaudières de cuisson séparées fonctionnant sous vide afin d’éviter la caramélisation du sucre. À ce stade, le sirop épaissi atteint la consistance voulue et, dès l’apparition des premiers cristaux de sucre, la cristallisation commence, manuellement ou spontanément. En maintenant la concentration et la température, environ 50% du saccharose se transforme en cristaux. Le contenu de l’appareil devient alors un mélange de sucre et de liqueur mère appelé masse cuite .

Refroidissement de la masse cuite

Comme la solubilité du sucre dans l’eau diminue lorsque la température baisse, on profite de cette propriété en versant la masse cuite dans des réservoirs semi-cylindriques, puis en la refroidissant jusqu’à environ 50 degrés afin de favoriser la formation du maximum de cristaux possible.

Centrifugation

Le mélange de cristaux de sucre obtenu est ensuite envoyé dans des centrifugeuses pour séparer les cristaux de la liqueur résiduelle. Le sucre séparé est lavé avec de l’eau et de la vapeur blanche, puis dirigé vers un séchoir afin que son humidité descende à 0,4% grâce à de l’air chaud.

Conditionnement

Le sucre sortant du séchoir est emballé, expédié vers l’entrepôt, puis enfin commercialisé.

Liqueur mère

L’effluent de la centrifugeuse, dans lequel une grande partie du saccharose reste encore concentrée, est généralement concentré deux à trois fois, puis recuit, refroidi et centrifugé de la même manière que le flux principal. On obtient ainsi le sucre de deuxième cuisson et la liqueur mère correspondante, puis le sucre de troisième cuisson et la liqueur mère de troisième cuisson, qui sont récupérés.

Mélasse

La liqueur mère de la troisième cuisson, en raison de ses caractéristiques physiques, contient encore environ 50% de sucre, mais ne cristallise pas dans des conditions ordinaires. Elle est donc sortie de l’usine de sucrerie et utilisée comme sous-produit, sous le nom de mélasse, pour diverses applications.

Produits principaux et secondaires

Les usines sucrières produisent, en plus du sucre, plusieurs sous-produits. Ces sous-produits peuvent servir de matières premières à d’autres industries alimentaires et manufacturières, ce qui leur confère une importance particulière. Les principaux sous-produits de la canne à sucre sont la bagasse et la mélasse, chacun ayant de nombreuses utilisations industrielles .

La bagasse est le résidu fibreux de la canne après extraction du jus dans plusieurs moulins. Elle ressemble à de la paille humide et est évacuée de l’usine par un système de transport. Ses principales utilisations comprennent le combustible, la fibre, le panneau de particules, le papier, le furfural et l’alimentation animale.

Types de sucre commercialisés

Tous les types de sucre, qu’ils soient blancs ou bruns, ont une valeur nutritionnelle équivalente. En revanche, ils diffèrent par leur goût et leur saveur, et sont donc proposés sur le marché afin de satisfaire les préférences des consommateurs. Les principaux types de sucre commercialisés sont les suivants :

• Sucre blanc : sucre raffiné ordinaire contenant 99,7% de saccharose
• Sucre en morceaux : cristaux de sucre blanc, encore chauds et humides après leur sortie de la centrifugeuse, qui sont automatiquement séchés et pressés dans des moules cubiques
• Sucre en pain : sucre obtenu à partir du sucre blanc, sous des formes irrégulières et variées, moulé en différents formats et devant être cassé avant usage selon le besoin
• Sucre brun : sucre fabriqué à partir de sucre blanc avec une petite quantité de mélasse de canne à sucre, contenant 85 à 95% de saccharose
• Sucre en poudre : sucre blanc broyé et finement réduit
• Sucre brut : sucre semi-cuit et cristallisé, obtenu après une seule cuisson sous vide après concentration
• Sucre en poudre avec amidon : sucre blanc entièrement pulvérisé, passé à travers des tamis très fins, puis mélangé à 3% d’amidon pour éviter l’agglomération
• Sucre liquide : sirops concentrés obtenus à partir de la betterave ou de la canne à sucre

Méthodologie et bases de l’analyse des coûts

L’évaluation et l’analyse de tout projet d’investissement constituent une partie essentielle de tout programme de développement économique, afin d’en examiner les résultats, les succès et les échecs, et d’améliorer son efficacité. Autrement dit, l’évaluation d’un projet d’investissement est un processus qui mesure le taux de rendement de l’investissement d’une usine ou d’un projet, ses bénéfices sociaux, ainsi que ses effets indirects sur la croissance démographique, l’emploi, la main-d’œuvre, la formation des gestionnaires et, en fin de compte, le taux de réinvestissement. L’évaluation des projets d’investissement est donc un facteur important dans la définition des politiques économiques.

Évaluation des projets et analyse des coûts

L’évaluation des projets d’investissement est la partie la plus importante et la plus spécialisée de la planification. Elle comprend une évaluation systématique, objective et globale des programmes de développement destinés à produire un bien particulier ou à mettre en œuvre un projet d’investissement. Elle permet de déterminer leur efficacité sous les aspects techniques, économiques, financiers et opérationnels. L’évaluation des projets d’investissement est un processus par lequel on cherche à estimer les effets des projets sur la planification sociale, ce qui améliore à son tour la qualité du programme. C’est une méthode rationnelle pour une action économique et sociale rationnelle.

Étapes de l’évaluation

L’évaluation des projets d’investissement comporte quatre étapes :

1. L’étude des conditions économiques, sociales et politiques du pays avant la mise en œuvre du projet
2. L’évaluation du projet pendant sa phase d’exécution
3. La détermination du degré d’avancement du projet, des moyens nécessaires pour l’achever, ainsi que la proposition de méthodes et d’outils appropriés pour améliorer son exécution
4. L’évaluation des résultats finaux du projet, une fois celui-ci achevé et pleinement opérationnel

Chapitre 3 : Matériaux et méthodes

Généralités sur l’évaluation de la consommation d’eau et de la production de sucre de l’usine de betterave sucrière

Questionnaire

Sur la base des hypothèses principales de la recherche, des études bibliographiques menées sur la récupération de l’eau dans le processus de production du sucre, ainsi que de l’examen et de l’interprétation utile d’un questionnaire conçu par le Comité national des eaux usées industrielles en 1960, nous avons élaboré, après modifications adaptées aux conditions régionales de Kermanshah et à la suite d’études topographiques et des conditions de la région à l’aide de la télédétection, un questionnaire qui a été envoyé à l’usine de sucre. L’objectif était d’examiner techniquement, à partir des informations recueillies, le système de récupération de l’eau et de réutilisation des eaux usées dans cette usine. Enfin, le système optimal devait être conçu pour l’usine, et une comparaison devait être effectuée, sur la base des informations financières relatives à l’offre et à la demande des produits principaux et dérivés, ainsi qu’aux coûts d’exploitation de l’usine liés aux eaux usées et à l’eau, le cas échéant, avec le système conçu.

Caractéristiques de l’usine

L’usine est située au sud de la province, traversée par la rivière Ravand, qui est saisonnière. La superficie totale de l’usine est de 171 000 m², dont 71 263 m² constituent la surface bâtie. L’effectif total comprend 548 personnes, dont 130 employés contractuels, 50 personnels administratifs, 57 personnels techniques, parmi lesquels 46 sont saisonniers et 14 sont contractuels. Le nombre d’ouvriers permanents et saisonniers est de 435. Le nombre de betteraviers est de 1 450 dans les zones froides et de 50 dans les zones chaudes.

Production et installations de l’usine

L’usine a été construite et fondée par la Tchécoslovaquie, avec une capacité initiale de 300 tonnes de betteraves par jour.Elle a été mise en exploitation avec une capacité de 1 000 tonnes de betteraves par jour. La dernière capacité nominale de l’usine est de 1 500 tonnes par jour, tandis que le tonnage entrant sur 24 heures varie entre 1 300 et 1 500 tonnes de betteraves.

La superficie cultivée au cours des cinq dernières années pour l’usine est de 5 200 tonnes, et la quantité de betteraves produites par l’usine au cours des cinq dernières années est de 800 000 tonnes. Le degré de pureté de son jus brut au cours des cinq dernières années est de 5,86. La capacité opérationnelle de l’usine au cours des cinq dernières années a été de 1 500 tonnes.

L’usine dispose d’une station d’épuration dont le système d’évacuation des eaux usées est un traitement biologique avec retour des boues activées. Actuellement, la section de retour des boues activées est hors service et il n’existe aucun retour de boues. L’usine possède également quatre puits et un grand hall dans lequel se déroule l’ensemble du processus de production du sucre. La distance entre l’usine et la station d’épuration est de 300 mètres ; les effluents sont d’abord pompés vers le clarificateur, puis acheminés par conduite vers la station d’épuration.

Le système de traitement est représenté dans la figure correspondante. La distance maximale jusqu’aux zones de culture de betteraves est de 60 km dans les régions froides et de 350 à 400 km dans les régions chaudes.

Les machines utilisées dans l’usine sont présentées dans le tableau correspondant. La quantité de raffinage du sucre brut est de 250 tonnes par jour. La production annuelle de sucre blanc à partir de betteraves est de 50 tonnes par jour, ainsi que 200 tonnes de sucre brut blanc. La capacité de production de sucre est de 100 tonnes par jour.

L’usine dispose de trois entrepôts pour le stockage du sucre, du sucre et des sous-produits, notamment la mélasse, la pulpe de betterave humide et sèche, ainsi que les déchets de chaux et le calcaire. Les déchets de gâteau de chaux produits sont enfouis dans la décharge sanitaire municipale. La mélasse est vendue sous forme liquide. Les déchets de calcaire, la pulpe humide, la pulpe sèche et le gâteau de chaux sont vendus sous forme solide.

De vastes terrains entourent l’usine, ce qui permet d’envisager leur mise à disposition pour des projets de développement futurs.

Détermination de la situation de l’usine en matière d’approvisionnement en matières premières

Les principales matières premières sont la betterave sucrière, puis le calcaire, l’antimousse et le formol. La betterave sucrière représente à elle seule plus de 90% du coût total des matières premières.

Processus de production

La première étape consiste à réceptionner les betteraves par camion dans les trois entrepôts de l’usine, selon un calendrier variable au cours de la campagne. Pendant les 90 jours d’automne, 135 000 tonnes de betteraves arrivent des régions chaudes situées à 350–400 km de l’usine. Pendant les 60 jours d’été, 90 000 tonnes de betteraves sont acheminées depuis les régions froides situées à 60 km de l’usine. Pendant les 30 jours d’hiver, 45 000 tonnes supplémentaires arrivent à nouveau des régions chaudes situées à 350–400 km de l’usine.

En hiver, en raison de la baisse de température et du risque de gel des betteraves, celles-ci sont stockées pendant un maximum de cinq jours afin d’éviter le gel grâce au système de chauffage et de réduire la consommation excessive d’eau lors de la préparation à la production. Au total, sur les 180 jours de campagne, 270 000 tonnes de betteraves sont réceptionnées, et ce volume est resté stable au cours des cinq dernières années. Le tonnage journalier reçu a varié entre 1 300 et 1 500 tonnes au cours de cette même période.

Pendant les opérations de pesée, de détermination de la richesse et d’évaluation des pertes, les betteraves sont également entreposées. Chaque jour, en prenant un tonnage entrant de 1 500 tonnes, les betteraves suivent le processus de production ci-dessous, aboutissant à la production de sucre blanc, de sucre brut et de sucre en morceaux. À partir de 1 500 tonnes de betteraves par jour, l’usine produit 200 tonnes de sucre brut, 50 tonnes de sucre blanc et 100 tonnes de sucre en morceaux.

L’usine réalise également le raffinage du sucre, à raison de 200 tonnes par jour. Elle dispose de deux diffuseurs continus à vis, chacun ayant une capacité de 1 000 à 1 800 tonnes de betteraves sous forme de bande, où l’extraction du jus se fait à l’aide d’eau chaude. Les pulpes sont ensuite envoyées vers trois presses à pulpe présentes dans l’usine pour en extraire l’eau, car elles contiennent encore une quantité importante de sucre, puis elles sont renvoyées dans le système. Elles peuvent aussi être dirigées vers un sécheur de pulpe de type Tramol afin d’éliminer l’eau résiduelle, ou être vendues à l’état humide. Comme indiqué précédemment, ces pulpes conviennent à l’alimentation animale. À chaque cycle de production, 100 tonnes de pulpe sèche sont produites.

Le jus produit par les diffuseurs passe ensuite à l’étape de chaulage et de carbonatation. La quantité de calcaire consommée pendant les 180 jours de campagne est de 18 000 tonnes. La production de chaux a lieu dans des fours à vapeur ; l’usine en possède deux, dont le combustible annuel atteint 15 millions de litres. La pression de vapeur des fours est de 24 atm et la température de 380 °C. Ces installations produisent 40 tonnes par heure de CO₂ et de CaO.

Enfin, le jus traverse les filtres, puis les étapes de concentration par évaporation et sous vide, et termine par la cristallisation et la centrifugation. Le sucre obtenu est alors prêt pour le conditionnement et la vente. Les résidus issus de la centrifugation sont appelés mélasse, laquelle est vendue dans cette usine sans transformation supplémentaire.

Prélèvement ou consommation d’eau

Le volume exact d’eau entrant dans l’usine n’est pas disponible. Cependant, l’usine dispose de quatre puits : un à l’intérieur du site et trois autres situés à des distances de 200 et 300 mètres. Ces puits sont exploités depuis la création de l’usine.

Le prélèvement d’eau par puits est d’environ 20 L/s, soit 1 728 m³/jour. Toute l’eau utilisée est recyclée, et il s’agit d’eau douce. Les puits peuvent être interconnectés, mais aucune conduite n’a été installée entre les puits et la station d’épuration. Durant la campagne de 180 jours, l’usine consomme environ 5 000 m³/jour d’eau pour le processus de production du sucre. Pendant les périodes de semi-activité, au printemps, en été et en hiver, le prélèvement d’eau sert uniquement aux besoins du personnel et au nettoyage, à raison de 3 L/s, soit 259 m³/jour.

Comme l’usine ne rejette pas d’effluents dans la rivière, n’utilise pas le réseau d’assainissement urbain et n’a aucun contrat avec une entreprise privée de l’eau et de l’assainissement, la source d’eau de l’usine correspond à la somme du prélèvement journalier, rapportée au tonnage entrant de betteraves, ainsi qu’à l’eau déjà extraite des puits au cours des 85 dernières années.

La profondeur des puits actifs est de 90, 138 et 140 mètres. En raison du caractère alluvial de la zone, de la porosité du sol, des conditions favorables à la culture de la betterave, de la présence probable de nappes phréatiques et de la proximité de l’usine avec la zone riveraine, ces puits ne sont pas limités par un aquifère confiné. La vitesse de l’eau dans les conduites est de 1,5 à 3 m/s.

L’eau prélevée dans les puits est froide, tandis que l’eau circulant dans le système de production a une température de 40 à 45 °C. L’eau de retour provenant de la station d’épuration a une température de 30 à 40 °C. Grâce à la possibilité d’interconnexion des puits, la remise en service du quatrième puits, actuellement hors service, est envisageable.

Recirculation de l’eau

Le système de recirculation de l’eau relie les puits à l’usine, puis l’usine au clarificateur, ensuite à la station d’épuration, avant un nouveau traitement et un retour vers le clarificateur, d’où l’eau réintègre le système de production de sucre de l’usine. Un schéma de cette recirculation figure dans l’illustration ci-dessous. L’eau recirculée dans le système, même après un traitement biologique, présente une augmentation de la DBO ; elle ne peut donc pas être rejetée dans la rivière. Le circuit fonctionne en continu, 24 heures/24, sans interruption.

L’usine dispose de quatre types d’eau recirculée :

1. Eau primaire recirculée clarifiée, sans traitement: généralement constituée d’un mélange de trois types d’eau : les condensats de la distillation sous vide, les condensats des fours à vapeur et l’eau de puits.
2. Eau de type 1 introduite dans le système: au stade de la distillation sous vide, elle entre dans le bassin de refroidissement sous forme d’eau condensée, puis retourne à la station centrale de pompage de l’eau, où elle se mélange de nouveau à l’eau de puits pour le lavage. Cette fois, elle se dépose dans le bassin du clarificateur et entre dans la station d’épuration. L’eau de puits restée au-dessus du clarificateur entre sans traitement dans le système, se mélange à nouveau avec les condensats des fours à vapeur, puis revient à l’étape de distillation sous vide sous forme d’eau condensée, réintègre le bassin de refroidissement, se mélange à l’eau de puits dans la station centrale de pompage, puis retourne au système. Enfin, après son passage dans le clarificateur, elle se dépose et entre dans la station d’épuration.
3. Eau primaire et eau secondaire traitées: elles entrent dans la station centrale de pompage et, avec l’eau de puits et l’eau condensée recirculée sans traitement, alimentent le bassin de refroidissement pour les opérations de lavage et de transfert. Elles passent ensuite dans le clarificateur, où elles se déposent avec les condensats, tandis que l’eau de puits clarifiée, qui présente une charge organique plus faible, entre dans le système.
4. Eau traitée n° 3: en raison du mélange de deux eaux traitées, primaire et secondaire, avec de l’eau condensée recirculée sans traitement n° 3, elle présente une charge organique très élevée et ne peut plus être réutilisée dans le système. Elle est donc stockée à côté du bassin de décantation et utilisée pour les espaces verts de l’usine. Jusqu’à la prochaine campagne, on y répand de la terre afin qu’elle absorbe l’eau et sèche, puis la terre résiduelle est évacuée hors de la ville.

L’eau des fours à vapeur est un mélange d’eau de puits et d’eau de condenseur, dont la vapeur se condense à nouveau avant de retourner au système.

Consommation totale d’eau brute

L’eau brute de l’usine est en réalité constituée des condensats et des eaux de condensation des fours, recirculés dans le système pour un premier cycle sans traitement, auxquels s’ajoute l’eau de puits. Dans le deuxième cycle, l’eau de puits et l’eau traitée provenant de l’usine c’est-à-dire l’eau condensée et les condensats du cycle précédent, ainsi que de nouveaux condensats de vapeur, sont réintroduits. Ce processus se poursuit du deuxième jusqu’au n ième cycle, selon le temps de fonctionnement de l’installation/24 heures.

Sources d’eau et procédé de traitement

Après le processus de production du sucre, tous les effluents considérés comme eaux usées sont collectés. Ils comprennent l’eau utilisée dans les systèmes de refroidissement, ainsi que celle provenant des turbines, des fours à vapeur et des condenseurs barométriques de cuisson, en plus des eaux recueillies à la surface pour le lavage dans la zone du clarificateur, un bassin de décantation cylindrique. La partie la plus claire du trop-plein retourne à l’usine pour être réutilisée, tandis que la fraction décantée, parfois plus concentrée, est dirigée à l’aide de deux pompes puissantes vers la section de dégrillage, où un dispositif rotatif élimine complètement les particules solides des eaux usées. La partie liquide est ensuite conduite vers la station d’épuration principale, située à 300 mètres de l’usine, en commençant par les bassins de décantation.

La station d’épuration comprend deux bassins de décantation utilisés comme réserve. Dans cette phase, les matières solides se déposent, puis le trop-plein est transféré par un canal vers la zone d’aération. L’aération de surface se fait dans un très grand bassin de dimensions 190 × 90 m, subdivisé à l’intérieur par trois cloisons préfabriquées en quatre lignes. Les lignes d’aération sont disposées de manière à ce que chacune ait une extrémité ouverte, et ces lignes en zigzag communiquent entre elles afin de permettre la circulation de l’eau dans tout le bassin. Dans chacune de ces lignes, six aérateurs flottants assurent l’aération de surface.

Après l’aération, les eaux usées de la dernière ligne sont transférées par deux conduites vers la section de culture des boues activées, puis vers le filtre à sable. Cette section comporte trois couches : une couche de gravier, une couche de sable grossier et une couche de sable fin. Après leur passage, l’eau devient totalement claire et les matières solides restantes sont éliminées. L’effluent retourne ensuite à l’usine sans rejet. Le retour vers l’usine s’effectue par le clarificateur, et la partie claire de l’eau est acheminée, via le clarificateur, vers le silo de production de sucre à partir de betteraves.

Pertes

Le procédé de traitement dans l’usine est réalisé à ciel ouvert, ce qui entraîne une forte évaporation en raison de la température élevée des eaux usées, d’environ 45 °C, ainsi que des effluents retournés, dont la température est d’environ 30 à 40 °C. Pendant la production, une évaporation importante se produit également, ce qui entraîne des pertes d’eau considérables. Pour réduire davantage ces pertes, l’usine utilise des buses de pulvérisation afin de projeter l’eau dans l’air. L’eau brute provenant des puits ne subit pas de pertes, car elle ne participe pas au procédé et reste initialement froide.

Réduction des eaux usées par recirculation

Les eaux usées reviennent dans le système de production par deux conduites, mais leur charge en DBO est trop élevée pour permettre leur utilisation dans le procédé de diffusion. Elles servent donc uniquement au lavage ou au transfert des betteraves dans le canal de lavage. Parmi les trois puits actifs de l’usine, qui fonctionnent en continu, une eau propre est constamment injectée dans le système pour alimenter les fours à vapeur, les chaudières, les turbines, les refroidisseurs nécessitant de l’eau et les condenseurs de cuisson. C’est pourquoi l’usine dispose toujours d’un volume excédentaire d’eaux usées, dont elle souffre chaque année.

Ces dernières années, à côté des bassins de décantation, des bassins en béton ont été aménagés pour que, lorsque l’eau n’est plus réutilisable après plusieurs recyclages, elle puisse s’y évaporer. De la terre y est ajoutée pour accélérer le séchage. À long terme, puis à chaque nouvelle campagne annuelle, cette terre est évacuée hors de la ville avec l’autorisation de l’environnement et de la municipalité. Une autre utilisation des eaux usées excédentaires consiste à irriguer les plantes et les espaces verts de l’usine.

Séchage de la pulpe de betterave

La pulpe de betterave est produite sous deux formes dans l’usine : la pulpe humide, commercialisée, et la pulpe sèche. Avant d’être envoyée au sécheur puis à la section de vente, la pulpe humide est stockée dans un entrepôt spécifique, car les pulpes humides sont séparées des pulpes sèches dans l’usine. La transformation de la pulpe humide en pulpe sèche se fait à l’aide d’un dispositif de compactage et d’un sécheur Tramol.

L’usine possède deux presses : l’une presse la pulpe humide, puis le liquide résiduel, encore riche en sucre, retourne vers la diffusion afin que le sirop restant soit transformé en sucre. Si la pulpe pressée passe dans le sécheur Tramol, elle est séchée et vendue directement. Si elle est vendue humide, elle est commercialisée après compactage, en très faible volume. Les vapeurs issues du séchage de l’excès d’eau de la pulpe sont évacuées dans l’atmosphère par l’échappement. Il peut parfois se produire, lors du passage de la presse à la diffusion et pendant le lavage, des pertes de pulpe qui pénètrent dans les eaux usées et sont entraînées vers la station d’épuration.

Recirculation de l’eau du condenseur

L’eau utilisée dans les condenseurs est en réalité une eau de puits clarifiée, recyclée à partir du clarificateur, ainsi que des condensats des fours à vapeur. Dans l’étape de distillation sous vide, elle entre dans le bassin de refroidissement, puis dans la station centrale de pompage de l’eau. De là, avec l’eau de puits de deuxième cycle, elle retourne vers les fours à vapeur, les chaudières et les turbines pour le refroidissement et le lavage des betteraves.

Cependant, cette fois, comme la concentration des matières dans l’eau condensée est plus élevée, davantage d’eau de puits est utilisée. Lors de son passage dans le clarificateur, l’eau condensée est dirigée vers la station d’épuration à cause de la décantation, tandis que l’eau de puits du second cycle retourne de nouveau par le clarificateur vers le système, où elle se transforme en eau condensée dans la phase de distillation sous vide et entre dans le bassin de refroidissement. Ce processus se répète en continu.

L’eau condensée traitée, qui avait été introduite dans la première étape dans le bassin de refroidissement puis réintroduite dans le système avec l’eau de puits du second cycle, après décantation et retraitement, revient par la station centrale de pompage uniquement pour le lavage des betteraves. Par ailleurs, les condensats des fours à vapeur proviennent du procédé de diffusion, et une partie de l’eau propre injectée est constituée de ces condensats de vapeur.

Contrôle du lait de chaux

Après l’injection de chaux dans le système et son utilisation, les eaux usées correspondantes, mélangées à l’eau condensée dans le système, sont recirculées, et lors du recyclage dans le bassin de refroidissement, l’eau condensée du condenseur se dépose et ses résidus sont vendus. Le lait de chaux est un mélange de condensats de vapeur et de jus de diffusion, qui entre dans le système de refroidissement via la distillation sous vide, en même temps que l’eau condensée.

Traitement de l’eau du condenseur

L’eau du condenseur est un mélange de lait de chaux, de condensats des fours à vapeur, et de la première eau de puits introduite dans le système sans traitement à partir du clarificateur, ainsi que de l’eau traitée recyclée et de la deuxième eau de puits, directement prélevée du puits. La recirculation de l’eau du condenseur nécessite un traitement séparé ou une séparation du lait de chaux et des carbonates qu’elle contient, ce qui sera abordé dans la section suivante.

Traitement de l’eau de canal et lavage des betteraves

Le mélange d’eau de puits et d’eau condensée utilisé pour le lavage et le transport entre dans le système ; l’eau condensée provenant du clarificateur est dirigée vers la station d’épuration, tandis que l’eau de puits clarifiée retourne dans le système. L’eau condensée traitée est utilisée uniquement pour le lavage et le transport répétés ; à ce stade, elle se mélange de nouveau avec l’eau de puits de second cycle, entre dans le clarificateur, puis retourne encore vers la station d’épuration. Lors de la troisième utilisation, en raison de sa charge organique très élevée, elle est envoyée vers un bassin de décantation adjacent et utilisée pour l’irrigation des espaces verts, tout en étant progressivement éliminée par apport de terre.

Investissement et ressources financières

L’usine dispose de vastes terrains autour d’elle, qui pourraient être utilisés pour la culture de betteraves, ainsi que pour l’extension du traitement et de la recirculation des eaux usées, ou encore pour la construction d’un nouveau silo destiné à de nouvelles productions. Pour réaliser ces projets, l’usine a besoin d’une justification économique estimative afin de pouvoir développer ses activités. L’objectif ici est donc de contribuer de manière significative à l’usine dans le domaine de la recirculation de l’eau, de l’augmentation potentielle de la production et de l’évaluation économique.

Coûts et revenus de l’usine

Les revenus de l’usine, comme ses coûts, se répartissent en plusieurs catégories, chacune variant selon certaines conditions, notamment le niveau des prix, la capacité de production et les décisions sectorielles. Au total, deux types de revenus concernent l’usine.

Vente

Ce type de revenu provient en réalité du taux de transformation de l’usine. Ce taux est fixé par l’association professionnelle nationale du sucre et de la betterave, qui fournit les matières premières. Ici, le taux de transformation désigne le montant versé à l’usine par l’association pour le raffinage du sucre et sa transformation en sucre en morceaux ou en sucre cristallisé. Le revenu de transformation est donc obtenu à partir de ce taux. Si l’on prend en compte le volume de production ou le taux de transformation, on obtient alors le chiffre d’affaires total.

Autres revenus

Les autres revenus désignent les recettes qui ne sont pas directement liées aux ventes ou au niveau de production de l’usine. Il s’agit notamment des revenus provenant des services, de la vente des déchets, ou encore de l’utilisation d’autres installations, comme la vente des sacs de sucre brut, qui génèrent des gains supplémentaires pour l’usine.

Chapitre 4 : Analyse des résultats

Analyse du système de recirculation de l’eau

Sur la base de l’analyse technique du système de production de sucre à partir de betteraves de l’usine (1500 tonnes), ainsi que du schéma de production d’une sucrerie de betterave de 2700 tonnes sans recirculation ni eaux usées traitées, on constate ce qui suit.

Dans la figure 3, l’eau brute est utilisée dans les sections de transfert d’eau dans le canal de lavage, dans la section de lavage, ainsi que dans les étapes de diffusion, filtration, évaporation, distillation sous vide et procédé Stephan. Dans l’usine, l’eau brute est utilisée dans les sections de transfert par canal, de lavage, de diffusion, de filtration et de distillation sous vide. Par rapport à la figure 3, la consommation d’eau de l’usine est plus faible, car la vapeur des chaudières est utilisée directement pour l’évaporation au lieu d’eau brute.

Par rapport à la figure 3, qui comprend le procédé Stephan, l’avantage économique du procédé Stephan réside dans une meilleure récupération du sucre, avec jusqu’à 85% d’extraction à partir de la mélasse. Cependant, l’usine se prive d’une récupération maximale du sucre de la betterave. De plus, en raison de sa forte DBO, l’effluent du procédé Stephan ne peut pas être entièrement traité, car l’usine ne dispose pas d’un traitement complet permettant de traiter les filtrats résiduels de la mélasse après extraction. Pour cette raison, la DBO de l’usine augmente chaque année. L’usine ne bénéficie pas non plus de sous-produits tels que le glutamate monosodique et le sulfate de potassium, et ne peut vendre la mélasse qu’en tant qu’aliment pour animaux.

Le volume d’eau utilisé par le procédé Stephan est d’environ 200 gallons, soit 0,75 m³. À cet égard, une économie d’eau brute est réalisée. Toutefois, dans les usines utilisant le procédé Stephan, l’eau impure utilisée dans le transport par canal augmente, ce qui accroît également le volume des eaux recyclées, mais cela n’est possible qu’en cas de traitement complet. Le volume des eaux usées de la figure 3 est plus élevé que celui de l’usine, en raison de l’absence de recirculation de l’eau condensée. L’eau condensée constitue une ressource précieuse pour la recirculation et peut même être utilisée, via ses vapeurs, pour produire de l’électricité.

La consommation d’énergie de l’usine sucrière est plus élevée que dans la figure 3, en raison du séchage de la pulpe à l’aide du Tramol. Dans la figure 3, les pulpes produites sont stockées puis vendues, alors que deux types de pulpes sont commercialisés. Cela est économiquement plus avantageux pour l’usine, mais la chaleur produite par l’utilisation du sécheur, et donc l’eau nécessaire au refroidissement des équipements, augmente la consommation d’eau. Les eaux de filtration de la figure 3 quittent le système, tandis que, le lait de chaux est transformé en boues carbonatées, puis, après décantation dans le clarificateur, renvoyé dans le système pour le chaulage et la carbonatation. Dans la figure 3, la chaux nécessaire au procédé Stephan est obtenue à partir des boues de saccharose.

Dans la figure 4-1, l’eau brute est utilisée dans le transport par canal, le lavage, la filtration, l’évaporation et la distillation sous vide, tandis que l’eau issue de l’évaporation et de la distillation sous vide, c’est-à-dire l’eau condensée, est envoyée vers le système de lavage et de diffusion. L’eau condensée contient peu de solides en suspension, elle est disponible en grande quantité et présente une faible DBO, ce qui la rend adaptée à la diffusion.Les condensats sont transférés vers le bassin de refroidissement afin d’y subir la condensation, puis l’eau est envoyée à la station de pompage et retourne, avec l’eau de puits, vers la ligne de production. Elle est utilisée dans les sections de transport par canal, de lavage, de diffusion, de filtration, de refroidissement du four à chaux et de distillation sous vide.

Malgré cela, en raison de l’absence du procédé Stephan, la figure 4 présente un meilleur avantage que la figure 29, car l’eau est recirculée et le maximum de sucre est extrait de la betterave. Dans la figure 4-1, les eaux usées issues du clarificateur sont entièrement rejetées et traitées, ou dans certaines usines déversées dans la rivière. Mais dans l’usine, après traitement aérobie, elles sont de nouveau réintroduites dans le système. Si l’on suppose que toute l’eau traitée issue du clarificateur dans la figure 4 est intégralement réintroduite dans le système en tant qu’eau brute, après traitement complet aérobie et anaérobie, la consommation d’énergie et d’eau diminuera, et la DBO de l’effluent recyclé sera d’environ 2,9 livres.

Dans le système de la figure 4-1, l’évaporation se produit à la fois dans la concentration Stephan et dans l’évaporation stockée dans la pulpe. Il est donc possible d’utiliser les vapeurs d’évaporation pour produire de l’électricité. Dans l’usine, l’utilisation du Tramol, du four à chaux et de la chaudière produit davantage de vapeur, mais la chaleur du système augmente également. À long terme, cela entraîne l’usure des équipements et une baisse du volume de production de betteraves. D’un point de vue économique, l’amortissement des équipements à long terme, la diminution de la production et donc des ventes, ainsi que la perte de capacité de la ligne de production, conduisent finalement à un affaiblissement de la rentabilité économique. En ajoutant un système de refroidissement et en intégrant un procédé de production de vapeur en continu, la chaleur du système peut être réduite et le rendement de production amélioré.

Dans la figure 4-2, toute l’eau brute est utilisée uniquement dans la diffusion et dans le procédé Stephan. En pratique, la quantité d’eau consommée est donc beaucoup plus faible que dans la figure 4-1, et toute l’eau en circulation est récupérée et recirculée. Cette solution n’est réaliste que si la température de l’eau est maintenue à 28 °C grâce à un système de refroidissement, et si toute la vapeur condensée est utilisée, au lieu de l’eau, pour le transport des betteraves vers la section de lavage. Lors du contact entre le gaz et l’eau de lavage, l’eau retourne au clarificateur ; l’eau condensée restante dans le clarificateur est envoyée vers le bassin d’aspersion, et les eaux usées produites sont décantées. Le traitement se fait alors directement dans le clarificateur. Dans ce cas, on évite d’abord la consommation d’eau pour le transport des betteraves ; ensuite, l’eau condensée produite est réutilisée dans les étapes d’évaporation et de distillation sous vide, de sorte que sa pollution reste très faible. Les seuls points de charge polluante dans ce système sont le procédé Stephan et le lait de chaux, qui nécessitent un traitement complet dans les bassins de décantation. Comme pour la floculation, les boues produites peuvent, après séchage, être utilisées dans le four à chaux pour la production de chaux. Dans ce système, l’extraction complète du sucre à partir de la mélasse est réalisée, et le sucre produit est mis à disposition du secteur du chaulage et de la carbonatation. La DBO de ce système est très faible, environ 1,2 livre. Le chauffage et l’énergie nécessaires sont fournis par les vapeurs produites par les condensats et le four à chaux

Intégration du système de refroidissement et configuration 2

Pour assurer la production d’électricité par le système existant, il convient d’abord d’examiner l’ensemble de la ligne de production selon les trois configurations présentées au chapitre 2. D’après le tableau 13, la figure 31 et les informations obtenues par le questionnaire, l’usine dispose de trois turbines et de trois générateurs. La température de l’eau dans la ligne de production est de 40 à 45 °C, tandis que celle du sirop est de 106 °C.

En comparant le tableau 13, les données du questionnaire et la figure 31, on constate que, pour le sirop brut, dans le troisième et le quatrième évaporateurs, la température interne est respectivement de 94 °C et 103 °C, tandis que la température externe est de 90 °C et 102 °C. La température interne du condensat est de 104 °C et sa température externe de 40 °C.

Dans la configuration n°1, le système de condensation n’est pas utilisé, ce qui rend sa mise en œuvre très simple. Sur la base de la capacité de la chaudière, qui est de 40 tonnes par heure, et compte tenu de la pression de la chaudière de 24 atmosphères et de sa température de 308 °C, il est possible de produire de l’électricité à partir de la configuration 1.

Dans la configuration n°2, un système de refroidissement du condenseur est indispensable. Or, ce système n’existe pas actuellement dans l’usine. Ainsi, si l’objectif est uniquement la production d’électricité, la configuration 1 est utilisée ; en revanche, si l’on souhaite à la fois refroidir le système et produire de l’électricité, la configuration 2 doit être adoptée.

Le combustible utilisé par le four à vapeur de l’usine sucrière est de 15 litres par an. Dans la figure 4-1, les vapeurs du four à vapeur et du four à chaux entrent dans le système de refroidissement, c’est-à-dire dans la section du processus d’absorption. Au cours du circuit, avec les vapeurs du condenseur de la ligne de production, elles se condensent et produisent une eau refroidie à 28 °C, stockée ensuite dans le bassin de refroidissement. De là, l’eau est envoyée à la station de pompage puis réintroduite dans le système. Ainsi, la température de l’eau passe de 45 °C à 28 °C.

L’électricité produite par le générateur, afin d’assurer le bon fonctionnement du système de refroidissement, peut être obtenue en envoyant les vapeurs du four à vapeur et les gaz non condensables, qui réchauffent l’environnement et provoquent à long terme l’usure des équipements de la ligne de production, vers la turbine existante de la ligne de production pour produire de l’électricité. Grâce à un compteur de débit énergétique, l’énergie nécessaire au système de refroidissement peut ainsi être fournie au condenseur barométrique et au four à vapeur. De cette manière, au lieu de brûler du combustible pour produire l’énergie nécessaire à la génération de vapeur, on utilise la configuration 2. Les vapeurs produites par les fours sont alors de nouveau dirigées vers la section d’absorption, où le processus de condensation est réalisé.

Il est également possible d’utiliser les vapeurs produites par les eaux usées traitées et réutilisées dans la section de lavage, qui ont servi au système de refroidissement, pour actionner la turbine et fournir de l’électricité.

Révision du système de traitement de l’usine

En examinant la figure 4-1, qui montre le système de consommation d’eau en circulation de la ligne de production, et en se basant sur la figure 3-29 ainsi que sur les données du questionnaire de l’usine sucrière, on constate que 5 184 m³/jour d’eau sont pompés vers la ligne de production pour une capacité nominale quotidienne de 1 500 tonnes de betteraves. À la fin de chaque journée, compte tenu du fonctionnement continu de 24 heures, l’usine produit 200 tonnes de sucre brut, 50 tonnes de sucre blanc et 100 tonnes de sucre en morceaux.

La consommation domestique par employé, en tenant compte de l’effectif total de 548 personnes, dont 130 contractuels, 50 personnels administratifs, 57 personnels techniques, parmi lesquels 46 saisonniers et 14 contractuels, varie entre 259 m³/jour et 184 m³/jour. Selon la publication local de la region (117-3), cette eau est considérée comme une eau usée administrative, et son niveau de pollution est différent de celui de la ligne de production. Étant donné la position centrale de l’usine dans la ville, il est possible de la rejeter dans le réseau d’assainissement urbain.

Par conséquent, l’eau utilisée dans la ligne de production peut être présentée comme suit.

D’après la comparaison entre la figure 4-4 et la figure 2-19, les eaux usées de la ligne de production, constituées des effluents générés dans les sections de lavage et de transport des betteraves, sont transférées vers la station d’épuration via le clarificateur. Les eaux usées issues de la chaudière résultent quant à elles des fuites provenant des pompes, des conduites et du nettoyage de différentes sections, telles que les évaporateurs, les réchauffeurs de sirop, la clarification, les plateaux de cristallisation en fonctionnement, les centrifugeuses, etc. L’eau de refroidissement provenant de diverses pompes, comme la pompe à vide, constitue également une partie des eaux usées.

L’eau utilisée dans la chaudière contient des matières en suspension et des matières dissoutes telles que des sels de calcium, de magnésium, de sodium, des sels gras, etc. Ces sels se concentrent progressivement à mesure que l’eau est utilisée. Ces solides doivent être purgés de temps à autre afin d’éviter la formation de dépôts sur les parois internes de la chaudière.

Les condensats excédentaires ne contiennent normalement pas de polluants et sont utilisés comme eau d’alimentation de la chaudière ainsi que pour les opérations de lavage. Parfois, lorsque des solides provenant du sirop en transfert sont entraînés par les condensats, ils deviennent des eaux contaminées. Dans ce cas, le besoin de traitement est presque négligeable en raison de la faible pollution, et cette eau peut remplacer l’eau brute ou, après refroidissement à température ambiante, être utilisée directement pour l’irrigation, ce qui est effectivement pratiqué dans l’usine sucrière.

Le volume total des eaux usées produites est de 5 000 m³/jour. Si l’on ajoute le système de refroidissement proposé, la température des eaux usées peut être ramenée à un maximum de 30 °C. En tenant compte de la figure 28, et après les étapes de traitement primaire de l’usine ainsi que la réutilisation des eaux usées dans la ligne de production pour le lavage, au lieu de les stocker dans des bassins en terre à côté des bassins de décantation et de les recouvrir progressivement de terre, il convient d’utiliser le système suivant pour leur traitement complet. Ce système constitue en définitive un complément au système principal de traitement.

Le système complémentaire des eaux usées de la ligne de production comprend :

1. la conduite de transfert des eaux usées
2. l’échangeur thermique
3. le réacteur anaérobie
4. le floculateur
5. le bassin de décantation à plaques
6. le réacteur aérobie
7. le décanteur
8. l’accumulateur de biogaz
9. l’incinérateur de gaz excédentaire
10. l’utilisation du gaz pour l’industrie
11. l’eau clarifiée en sortie

Au final, la DBO de l’eau diminue, et celle-ci peut être réutilisée dans la ligne de production. L’excédent peut être stocké dans un réservoir pendant les périodes où la ligne de production est arrêtée, puis utilisé lors de la campagne suivante à la place de l’eau de puits prélevée dans le réservoir d’alimentation, car, d’après les informations obtenues auprès de l’usine, l’eau stockée dans les bassins de décantation 1 et 2 pendant les périodes hors campagne présente une DBO trop élevée et ne peut être utilisée dans aucun procédé, y compris les usages administratifs ou les espaces verts.

Cette solution permet d’éviter le paiement annuel élevé des redevances d’eau par l’usine, et elle est très intéressante, tant sur le plan économique qu’environnemental. Elle offre aussi la possibilité d’augmenter la capacité de la ligne de production. Le biogaz produit dans ce procédé peut être utilisé pour chauffer le sirop dans les réchauffeurs, au lieu d’utiliser le four à vapeur. Ainsi, le gaz produit par le four à vapeur peut être réservé uniquement à l’étape d’évaporation et de distillation sous vide, ce qui augmentera la quantité d’eau condensée produite. À long terme, cela permettra aussi d’extraire davantage de sucre à partir de la mélasse, grâce au procédé Stephan, et d’atteindre un rendement maximal de la betterave, afin de produire plus de sucre.

Utilisation du système complémentaire pour le traitement des eaux usées de la seconde étape de lavage

Après réception de l’effluent de lavage provenant du clarificateur et son transfert vers le système complémentaire, celui-ci passe d’abord par l’échangeur thermique afin de réduire la température des eaux usées, car celle-ci est d’environ 40 °C à la sortie du système, ce qui peut endommager l’installation. Après ce refroidissement, l’eau entre dans la phase de floculation.

Étant donné la teneur élevée en matières organiques et l’alcalinité (HPO42−,NH3−,CO32−,HCO3−), l’analyse en fonction du pH permet d’obtenir le diagramme suivant.

Pendant l’ascension du gaz produit au cours du mélange dans le réacteur, l’eau reste dans le réacteur anaérobie pendant 2 à 2,5 jours. Ensuite, l’eau anaérobie contenant les résidus anaérobies est envoyée vers le floculateur.

La dernière étape est un réservoir cylindrique vertical, séparé par une cloison située à 1 m au-dessus du fond, ce qui le divise en deux compartiments. L’eau contenant les résidus anaérobies, sous forme de boue, est introduite dans la partie supérieure du premier compartiment, où la boue libère des bulles de gaz en se déplaçant de haut en bas. Dans le deuxième compartiment, la boue se déplace de bas en haut avec des particules résiduelles de plus grande taille, favorisant leur sédimentation. Afin d’éviter toute sédimentation à l’intérieur du deuxième compartiment, celui-ci est équipé d’un dispositif de mélange latéral.

La pulpe obtenue est ensuite envoyée vers un bassin de décantation à plaques. Après ce bassin, elle est renvoyée vers le réacteur anaérobie à raison de 150% de la masse des eaux usées clarifiées. L’eau reste dans le floculateur et dans le bassin de décantation pendant 10 à 20 minutes. Cette durée est insuffisante pour permettre l’accumulation de biogaz susceptible de gêner le processus de décantation.

Une fois le traitement anaérobie de l’eau terminé, celle-ci est transférée vers l’étape de traitement aérobie, composée d’un réacteur aérobie et d’un bassin de décantation. Dans le réacteur aérobie, l’eau est mélangée à des boues aérobies et intensément aérée. Les impuretés résiduelles y sont transformées en CO2. Depuis le réacteur aérobie, les boues sont acheminées vers le bassin de décantation, où les boues aérobies se déposent. Une partie de ces boues est renvoyée vers le réacteur aérobie. La plus grande partie des éléments biogènes et des substances nécessaires à la poursuite du processus aérobie est également recyclée avec ces boues.

Le biogaz issu du processus de fermentation contient jusqu’à 70% de méthane, 20% de dioxyde de carbone, 8% d’azote et 2% d’hydrogène. Ce gaz est soit évacué par un accumulateur de biogaz vers la sortie du réacteur, soit collecté dans un réservoir humide de gaz. Par la suite, le biogaz peut être utilisé dans la section de séchage de la pulpe. L’excès de gaz est brûlé dans une torchère.

Enfin, la DBO est mesurée afin de déterminer si l’eau peut être réintroduite dans le système de production. La mesure de la DBO consiste à évaluer la quantité d’oxygène consommée par un échantillon placé dans une bouteille hermétiquement fermée et maintenue pendant une durée déterminée dans un environnement contrôlé. Dans l’essai standard, on utilise une bouteille de 300 mL ; l’échantillon y est ensuite incubé à 20 °C pendant 5 jours en présence de micro-organismes. Afin d’empêcher le développement d’algues, qui pourrait produire de l’oxygène à l’intérieur de la bouteille, il faut éviter toute exposition à la lumière.

Comme la concentration saturante en oxygène dans l’eau à 20 °C est d’environ 9 mg/L, il est nécessaire de diluer l’échantillon à l’aide d’une eau exempte de DBO et saturée en oxygène pour mesurer des valeurs de DBO légèrement supérieures à quelques milligrammes par litre. La valeur de DBO d’un échantillon dilué est calculée par la relation suivante :

DBO=P.DOi​−DOf​​

où DOi​ et DOf​ représentent respectivement les concentrations initiale et finale en oxygène dissous, exprimées en mg/L, et P est le pourcentage de l’échantillon dans la bouteille de 300 mL.

Des réacteurs anaérobies physiques sont proposés ici pour le traitement des eaux usées des sucreries, de manière analogue aux digesteurs anaérobies utilisés pour le traitement des eaux usées domestiques par fermentation. Les sucreries disposent généralement d’importantes quantités de chaleur perdue, provenant des condensats gazeux de la section d’évaporation et des appareils sous vide, qui peuvent être utilisées pour maintenir la température nécessaire à la fermentation anaérobie des eaux usées. Les méthodes proposées peuvent améliorer le degré d’épuration, permettre la réutilisation de l’eau propre dans les processus de production et réduire la charge de filtration, ce qui conduit à une amélioration des conditions environnementales sur le site de l’usine sucrière.

Chapitre 5 : Conclusion et recommandations

Conclusion

En améliorant le système de la ligne de production, en réduisant la température de l’eau dans le circuit et en assurant une recirculation correcte grâce à l’utilisation d’un système complémentaire de traitement anaérobie associé au traitement aérobie, il devient possible d’augmenter la capacité de production de sucre, de moderniser la ligne de production par l’adoption du procédé Stephan, d’accroître les sous-produits et d’optimiser au maximum l’exploitation de la mélasse pour produire davantage de sucre. Dans ce cas, le coût de l’eau de l’usine sera compensé par l’augmentation de la production sucrière, donc par l’augmentation du bénéfice de l’usine. Cela rendra également possible la mise en service d’une autre ligne pour accroître le rendement et l’acquisition de nouveaux équipements.

Pendant l’hiver et le printemps, lorsque l’usine fonctionne à capacité réduite, il est possible de mettre en place le système de refroidissement, le traitement complémentaire et la production d’électricité selon la configuration proposée au chapitre 4. Le système de refroidissement maintient la température de l’eau du circuit à un niveau bas. En utilisant les vapeurs non condensables produites pour chauffer le sirop, on peut créer une meilleure efficacité énergétique, réduire la consommation de combustible, valoriser toute l’énergie du système et supprimer les pertes inutiles. Le seul effluent restant sera celui qui, après un traitement complet et l’utilisation du biogaz dans la ligne de production, pourra être réutilisé dans la section de diffusion. L’utilisation du biogaz issu du traitement anaérobie réduit le volume des vapeurs produites, ce qui rend le système plus optimal et plus écologique.

L’utilisation de plusieurs buses de pulvérisation de type jet dans les bassins de refroidissement permet de réduire la quantité de vapeurs condensées fugitives et d’augmenter la production de condensats du système. Après l’installation et la mise en service du système proposé, le débit prélevé dans les puits pour la ligne de production sera réduit à 5 000 m³/jour. Pour remettre en service le quatrième puits, dont le niveau d’eau est bas, il est possible de forer un autre puits à proximité et d’évacuer l’effluent issu du système de traitement complémentaire.

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