Jusqu'en 1996, la station d'épuration biologique de Cellettes (Loir-et-Cher) souffrait de surcharges hydraulique et organique, et de foisonnement filamenteux. Des départs de boues vers le Beuvron étaient aussi réguliers qu'inévitables. En attendant la reconstruction de la station, les autorités locales et l'exploitant ont décidé d'utiliser un agent structurant et lestant des boues pour fiabiliser le fonctionnement de cette station en contrôlant la décantation des boues. En 1998, il apparaît clairement que la station d'épuration de Cellettes assure tout au long de l'année son rôle de dépollution, sans augmentation du coût global d'exploitation.
Jusqu’en 1996, la station d’épuration biologique de Cellettes (Loir-et-Cher) souffrait de surcharges hydraulique et organique, et de foisonnement filamenteux. Des départs de boues vers le Beuvron étaient aussi réguliers qu’inévitables. En attendant la reconstruction de la station, les autorités locales et l’exploitant ont décidé d’utiliser un agent structurant et lestant des boues pour fiabiliser le fonctionnement de cette station en contrôlant la décantation des boues. En 1998, il apparaît clairement que la station d’épuration de Cellettes assure tout au long de l’année son rôle de dépollution, sans augmentation du coût global d’exploitation.
Boues activées : cette expression de spécialistes décrit une suspension faiblement concentrée de cultures bactériennes, maintenue artificiellement en condition aérobie. Pour obtenir un procédé performant d’épuration des eaux usées, il ne reste plus qu’à séparer les bactéries épuratrices de l’eau dépolluée, le plus souvent par différence de gravité. Ainsi décrit, le procédé dit « à boues activées » semble donc assez simple. Sa gestion, c’est-à-dire son contrôle à des fins bien précises, est généralement plus difficile à réaliser : les variations hydrauliques et/ou organiques, les augmentations régulières des débits et/ou des charges à traiter, le développement naturel de bactéries s’associant en structures de densité inférieure à celle de l’eau sont autant de difficultés qui peuvent désarmer l’exploitant le mieux intentionné. La fuite en avant consiste généralement à décréter que la station n’est plus adaptée à une bonne dépollution des eaux avant leur rejet dans le milieu naturel. Agrandir ou reconstruire une station d’épuration est parfois justifié, mais les coûts d’investissement ne peuvent pas être négligés. Chez les industriels, ces investissements se font au détriment d’investissements productifs ; dans les communes, ils sont financés par l’impôt.
Or dans de très nombreux cas, il suffit de contrôler la décantation des boues pour contrôler la station :
- - défloculation, foisonnement filamenteux ou non : mauvaise décantation des boues biologiques,
- - surcharge ou à-coups hydrauliques : freins physiques à une bonne clarification,
- - surcharge organique : limitation de la concentration en boue due à la capacité du clarificateur et éventuellement à la capacité d’oxygénation.
Le point faible des boues activées étant la clarification, de nouvelles solutions s’imposent :
- 1. Supprimer le clarificateur : les grands groupes de l’eau ont beaucoup innové pour supprimer les clarificateurs, et proposent depuis peu les bio-réacteurs à membranes. Ce sont des boues activées fortement concentrées où la clarification est obtenue par filtration sur membranes.
- 2. Mais avant de remplacer toutes les boues activées (80 % des eaux traitées dans le
...monde) par des bio-réacteurs à membranes, il est possible de fiabiliser et de mettre en conformité un grand nombre de stations d’épuration conventionnelles, simplement en mélangeant aux boues activées un « agent structurant et lestant » (ASLB) qui garantira une clarification optimale. C’est le pari tenté et gagné par le SIVOM de Cellettes-Chitenay-Cormeray (Loir-et-Cher) depuis 1996.
Station d’épuration de Cellettes : une gestion difficile
La station d’épuration de Cellettes (1 100 éq. hab., Loir-et-Cher), construite par Sabla Épuration en 1982, a été dimensionnée pour recevoir une charge de 65 kg de DBO5j et un débit de 180 m³/j. L’effluent est épuré par une boue activée maintenue en aération prolongée avant d’être rejeté dans le Beuvron.
Le débit reçu par la station évolue entre 180 m³/j par temps sec et 275 m³/j en période de pluie. La charge hydraulique varie donc entre 100 et 150 % de la capacité nominale. La surcharge est également de nature organique : les bilans du Laboratoire Régional des Ponts et Chaussées (LRPC) indiquent, depuis 1994, une charge organique de 123 % par rapport à la capacité nominale. Pour pallier le sous-dimensionnement de l’installation actuelle, la reconstruction de la station était envisagée pour l’année 1998. Conséquence ou non de ce sous-dimensionnement, des bactéries filamenteuses prolifèrent dans les bassins de la station de Cellettes. Le LRPC a identifié le type « microthrix » comme espèce dominante.
Pour éviter le développement de cette biomasse difficile à faire décanter, une zone de contact spécifique a été créée selon les critères habituellement recommandés pour ce type de filaments. Malgré cet ouvrage, les filaments sont toujours présents. La décantation reste médiocre avec des indices proches de 300 ml/g, un volume corrigé excédant toujours 1 000 ml/l. Les départs de boue sont aléatoires mais relativement fréquents et la fiabilité de la station n’est pas assurée.
L’épaississement quasi nul des boues empêche de maintenir une concentration de 3 g/l dans le bassin d’aération, concentration théoriquement suffisante pour dégrader correctement la charge entrante. Bien que la turbine tourne 24 h/24 (surconsommation électrique, donc surcoût d’exploitation), la capacité d’oxygénation est trop faible pour éviter des nuisances olfactives. L’âge de boue est estimé à plus de 45 jours.
Tableau 1 : caractéristiques des ouvrages
| Ouvrage : Zone de contact – | 5 m² |
| Bassin d’aération – | 191 m² |
| Clarificateur – | 63 m², 33 m³ |
| Silo à boues – | 27 m³ |
| Lits de séchage – | 4 × 40 m² |
Pré-étude : une station qui peut fonctionner
Une collaboration exemplaire
Début 1996, le SATESE du Loir-et-Cher a rapidement convaincu le SIVOM de Cellettes-Chitenay-Cormeray d’essayer l’agent structurant et lestant de boues commercialisé par la société Luzenac pour résoudre les problèmes rencontrés à la station d’épuration de Cellettes.
Également intéressés par une démonstration locale dans un site problématique, le Conseil Général du Loir-et-Cher et l’Agence de l’Eau Loire-Bretagne ont soutenu financièrement et techniquement le projet de la station de Cellettes. La période probatoire, fixée à 8 mois, fut subventionnée à hauteur de 49 % par l’Agence de l’Eau et de 23 % par le Conseil Général.
Afin de démontrer sans ambiguïté l’intérêt du procédé Luzenac, le SIVOM, le SATESE et Luzenac ont planifié un suivi intensif pendant les 8 mois de démonstration :
— un test de décantation par jour,
— une analyse des boues activées et des boues de recirculation deux fois par semaine pendant le premier mois puis une fois par semaine,
— deux extractions régulières de boues chaque semaine.
Procédé Luzenac : incorporation d’un agent structurant et lestant aux boues activées
Le produit de Luzenac est un additif naturel qui améliore la qualité et les performances des stations à boues activées. Ce mélange naturel de talcs est non abrasif, insoluble et chimiquement inerte.
Il empêche les pertes de boues habituellement liées aux foisonnements filamenteux, aux boues légères ou gonflées, aux surcharges hydrauliques. Cet ASLB est régulièrement utilisé dans des stations biologiques traitant des eaux communales ou industrielles (abattoirs, équarrissages, industries laitières, industries chimiques…). Incorporé aux boues activées de la station de Cellettes, il permettra :
— le lestage et la structuration des flocs,
— l’accélération de la décantation dans le clarificateur secondaire,
— l’amélioration de la séparation solide/liquide même en présence de bactéries filamenteuses,
— la réduction des matières en suspension dans l’effluent rejeté,
— l’amélioration de l’épaississement des boues extraites.
La poudre minérale est mise en suspension dans l’eau avant dosage dans le bassin d’aération. La seule mesure des concentrations en MES et MVS de la liqueur mixte permet de déterminer et de contrôler la quantité d’additif en suspension. Elle peut être exprimée de façon absolue, par la concentration dans le bassin d’aération en g/l. Elle peut également être exprimée relativement à la quantité de boue biologique présente dans le bassin d’aération : on parle alors du « taux de traitement », rapport de la concentration en additif à la concentration en boue. Par exemple, le taux de traitement d’une boue à 4 g/l addi-
tivée de 3 g/l d’Aquatal T sera de 3/4 soit 0,75 ou encore 75 %.
Différents paramètres permettent de quantifier l’aptitude des boues activées à décanter :
1. Indice de boue. Après ajout d’asIb, la liqueur mixte est composée de boues biologiques et d’additif minéral insoluble. Deux types d’indice de boue peuvent donc être calculés : • l’indice de boue apparent, noté I.Btot, représente le volume occupé par 1 gramme de matière en suspension (boue biologique + additif) après 30 mn de décantation. Cet indice peut être « artificiellement » réduit en augmentant la quantité de matière en suspension, sans améliorer la décantation des boues. Cet indice est utilisé par l’exploitant pour quantifier l’aptitude des « nouvelles » boues à décanter, mais il ne permet pas de comparer les périodes avec et sans additif. • l’indice de boue réel, noté I.Bb, représente le volume occupé par 1 gramme de boue biologique après 30 mn de décantation. Il est donc proportionnel à la quantité de MVS et à l’aptitude de ces MVS à décanter. L’indice de boue réel est donc tout à fait adapté à décrire l’évolution de la décantation des boues. C’est bien entendu celui que nous avons utilisé pour caractériser l’influence réelle de l’additif sur la décantation des boues de la station de Cellettes.
2. Le volume corrigé, noté Vc, qui représente le volume occupé par 1 litre de boue après 30 mn de décantation.
3. La vitesse initiale de décantation, notée Vdéc, définie comme la pente au point d’inflexion de la courbe de Kynch.
4. La profondeur de visée, notée Pvisée, définie comme la hauteur d’eau claire située au-dessus du voile de boue dans le clarificateur (mesurée au disque de Secchi).
Décantabilité des boues rapidement et fortement augmentée
Lors de l’expertise du site par un ingénieur Luzenac le 8 janvier 1996, des essais de décantation en éprouvette ont été réalisés. Le temps de mélange entre les boues et la poudre de talc n’excède pas 1 minute. Les tests effectués dans différentes conditions indiquent qu’un taux initial de 100 % (soit 1 g d’agent par g de boue) semble optimal. Les avantages sont alors évidents : l’indice de boue est divisé par 2 et la vitesse initiale de décantation des boues est multipliée par 9. La figure 2 et le tableau 2 résument les effets observés (tests de décantation réalisés avec une dilution au demi).
Quantités d’additif nécessaires à une bonne clarification
Sur la base des résultats obtenus lors des tests de décantation et de la situation observée en mai 1996, les différents partenaires retiennent le taux initial de 100 %. Afin de bénéficier rapidement des effets de l’additif, il est décidé d’atteindre le taux de 100 % en une journée (charge initiale). La poudre minérale adhérant parfaitement aux flocs, elle est évacuée lors des périodes d’extraction des boues en excès. Des dosages d’appoint, basés sur la production de boue, permettent de maintenir le taux désiré. La formation progressive des nouveaux flocs autour des particules d’asIb permet de réduire les quantités d’appoint, tout en maintenant les performances de décantation. La station est alors stabilisée.
Les quantités mises en œuvre sont donc les suivantes : • une charge initiale de 1 300 kg permettant d’obtenir une suspension de talc à 5 g/l, valeur de la concentration en boue ; • des dosages d’appoint de 3 sacs de 25 kg par semaine en phase stabilisée.
Dans tous les cas, la poudre est mise en suspension dans de l’eau avant dosage dans le bassin d’aération, c’est-à-dire au contact des boues. À Cellettes une simple cuve agitée a été utilisée pour la préparation du lait de talc.
Une station d’épuration surchargée qui fonctionne bien
Lors des tests en éprouvette d’un litre, l’adhérence de l’additif sur des flocs est immédiate. Dans la station, quelques heures suffisent pour observer les premiers effets du procédé. Les boues commencent à décanter dans le bassin d’aération pendant les phases d’arrêt de la turbine d’aération/brassage ; la profondeur de visée dans le clarificateur…
Tableau 3 : améliorations à court et long terme des propriétés de décantation.
| avant ajout d’additif | 24 heures après | après stabilisation | |
|---|---|---|---|
| Volume corrigé | 1 320 ml/l | 1 080 ml/l | 300 – 400 ml/l |
| Indice de boue réel | 260 ml/g | 150 ml/g | 100 – 120 ml/g |
augmente de 20 cm avant le dosage à 50 cm trois heures après le dosage.
Évolution des concentrations
Afin d’avoir une parfaite vision des améliorations apportées, les différents partenaires ont souhaité mesurer régulièrement les concentrations en MES et MVS dans le bassin d’aération (noté B.A) ainsi que dans la recirculation. À partir de ces simples paramètres, il est possible de calculer :
- • la concentration en boues biologiques dans le bassin d’aération et dans la recirculation,
- • la concentration en additif dans le bassin d’aération et dans la recirculation,
- • le rapport de ces concentrations dans le bassin d’aération et dans la recirculation.
Au cours des deux premiers mois, les variations de concentration en boues ont été importantes. Par exemple, la concentration en boue biologique a augmenté de 5 à 6 g/l au cours des deux premiers jours, conséquence immédiate de l’arrêt rapide des départs de boue vers le milieu naturel. Après quelques tâtonnements dus en partie à la non-connaissance de la production réelle de boues, la concentration dans le bassin d’aération est stabilisée autour de 3 g/l. Les boues ne sont plus sous-oxygénées et les problèmes d’odeurs sont résolus. L’âge de boue est réduit de plus de 45 jours à 21 jours.
L’examen de la figure 4 (évolution du taux de traitement dans le bassin d’aération et dans le clarificateur) confirme que le choix judicieux de l’additif permet d’accélérer la décantation des boues, sans séparation par gravité entre l’additif (dense) et les boues activées (peu denses). Cette figure confirme également qu’à performances équivalentes, le taux de traitement peut être diminué à 50 – 60 % après un à deux âges de boues. Ce taux optimal est assez courant pour garantir la bonne décantabilité des boues.
Décantation maîtrisée tout au long de l’année
Stabilisation de l’indice de boue et du volume corrigé à des valeurs faibles
L’instabilité et la mauvaise décantabilité des boues est évidente : indice de boue variant entre 200 et 500 ml/g et volume corrigé variant entre 1 000 et 2 000 ml/l. Dès le lendemain de la première injection, l’indice de boue réel est réduit de 260 à 180 ml/g et le volume corrigé de 1 320 à 1 080 ml/l. Par la suite, grâce à l’effet structurant des particules de talc, la décantabilité des boues ne cesse de s’améliorer : indice de boue stabilisé à des valeurs inférieures à 120 ml/g (divisé par 2,2) et volume corrigé stabilisé à des valeurs inférieures à 400 ml/l (divisé par 3,3).
Donc une charge hydraulique admissible plus importante
Le volume corrigé est un paramètre important de dimensionnement d’un clarificateur. Dans son Guide technique sur le foisonnement des boues activées, le CEMAGREF a rassemblé les résultats de nombreuses observations pour relier directement le volume corrigé (mesuré correctement, c’est-à-dire en appliquant les dilutions nécessaires à une élimination des effets de parois), à la charge hydraulique superficielle.
| Volume corrigé (m³/j) : 1 320 (sans additif) ; 4 000 (avec additif) |
| Vitesse ascensionnelle admissible (m³/m²/h) : 0,23 (sans additif) ; 1,21 (avec additif) |
| Débit admissible (m³/jour) : 180 (sans additif) ; 950 (avec additif) |
Connaissant la surface d’un clarificateur, cet abaque permet donc d’estimer le débit maximal n’entraînant pas de pertes de boues. Le clarificateur (surface de 83 m²) ne pouvait pas retenir les boues lorsqu’il recevait des débits supérieurs à 180 m³/j. L’amélioration de la décantation permet aujourd’hui de faire face à des débits de 950 m³/j. Le débit moyen par temps sec étant de 190 m³/j, on est passé d’une situation critique, où l’aptitude des boues à la décantation ne permettait pas de faire face à la charge hydraulique, à une situation de sécurité où le débit admissible est trois fois supérieur au débit maximal reçu par la station.
Confirmation dynamique : lit de boue à 1 mètre de la surface
L’augmentation de la profondeur de visée est la conséquence logique de l’amélioration de la décantabilité de la boue. Variant habituellement entre 0 et 20 cm, limitée à 20 cm lors du démarrage de l’essai, la hauteur d’eau claire au-dessus du voile de boue s’est stabilisée autour de 90 cm après deux mois de traitement. Quelles que soient les conditions météorologiques, la hauteur du voile de boue est stable et la station est conduite en toute sécurité.
Les valeurs de concentration en MES en sortie station, uniquement mesurées lors des bilans effectués par le SATESE, confirment l’absence de pertes de boues appréciée visuellement par le préposé… et les pêcheurs. Le dernier bilan réalisé du 29 au 30 septembre 1997 indique une concentration de MES en sortie station de 10 mg/l (moyenne / 24 heures).
Traitement des boues
À Cellettes, la chaîne de traitement des boues est assez sommaire, typique d’une station de 1 100 éq. hab. Après épaississement en fond de clarificateur, les boues sont stockées en silo puis valorisées en épandage sous forme liquide ou après déshydratation sur lits de séchage.
Épaississement amélioré
L’amélioration de la décantation des boues a permis de modifier les conditions d’épaississement dans le clarificateur. En effet, il est dorénavant possible d’arrêter les pompes de recirculation pendant plusieurs heures avant d’effectuer les extractions (jusqu’à 12 heures d’épaississement). De ce fait, la concentration moyenne des boues en sortie de clarificateur lors des phases d’extraction (arrêt des pompes de recirculation) a quasiment doublé (de 7 g/l à 12 g/l). Cette amélioration permet de réduire les volumes de boues à extraire, le temps d’extraction, et facilite également la gestion du taux de boue dans les bassins.
Quantité de boue réduite, épandage non modifié
L’ajout d’une poudre minérale insoluble se traduit bien évidemment par une augmentation de la production de MES. Toutefois, les boues exportées étant essentiellement de l’eau, l’amélioration de l’épaississement contrebalance largement cet effet : la figure 10 indique très clairement que l’augmentation de la siccité est non seulement due à la présence de talc, mais aussi à une concentration accrue de MES.
[Figure : Figure 10 – évolution de la profondeur de visée dans le clarificateur.] [Figure : Figure 11 – composition d’un litre de boue épaissie.] [Figure : Figure 12 – quantité de boues exportées par la filière de traitement des boues.]centration plus importante des boues biologiques. Ainsi, la siccité en matière organique est augmentée de 2,6 à 3,4 %, soit une amélioration de 30 %. Il en résulte que pour une même quantité de boue biologique produite – expression solide de la dégradation d'une pollution dissoute –, la quantité de boue exportée est plus faible (voir figure 11).
La production d’1 kg de MVS :
– se traduisait par l’épandage de 52 kg de boue (1,3 kg de boue biologique + 50,5 kg d'eau),
– se traduit maintenant par l’épandage de 40 kg de boue (toujours 1,3 kg de boue biologique + 0,8 kg d’additif + 38 kg d'eau).
La comparaison des quantités de MVS exportées par la filière en 1994 (année de pertes de boues, 8 tonnes de MVS exportées) et 1997 (station fiabilisée, 19 tonnes de MVS exportées) montre une différence de 11 tonnes. Ceci signifie qu’en l'absence de traitement, la station rejetait 11 tonnes de MVS par an, soit une concentration moyenne annuelle de 100 mg/l en sortie !
Basé sur une siccité moyenne de 3 % (en boues biologiques), le plan d’épandage des boues de Cellettes n'est pas à modifier. La modification de la nature des boues biologiques ne modifie en rien leur valeur agronomique du fait de l'inertie chimique de la structure du talc.
Bien que l’apport de talc n’excède pas 1 gramme par kilogramme de terre amendée, Luzenac a décidé de réaliser une étude complète de l'impact d’Aquatal T sur les plans d'épandage. Cette étude, menée depuis l'été 1997, est réalisée à partir des boues de Cellettes en collaboration avec un agriculteur, le SIVOM, le SATESE, la chambre d’agriculture, la DDA et la DDASS sous le contrôle du laboratoire Europe Sols d’Angers.
Le Beuvron à Cellettes : une rivière plus propre sans surcoût
Augmentation de prime plus importante que le coût de l’additif
L’amélioration de la qualité du rejet et de l’augmentation de la production de boue par arrêt des départs de la biomasse se traduisent par une augmentation de la prime à l’épuration versée par l'agence de l’eau Loire-Bretagne. Sur la base d’un taux de traitement de 50 %, cette augmentation de prime « à la bonne gestion » couvre le coût d'achat de l'additif.
Économies d’énergie
La réduction du taux de boue dans le bassin d'aération grâce à l’amélioration de l'épaississement permet de diminuer les heures de fonctionnement de la turbine et d’économiser ainsi 20 % de sa consommation énergétique.
Gain de temps
Les pertes de boues étaient synonymes de pertes de temps importantes : nettoyage de la station, pose de « barrage » sur la rivière, nettoyage des abords de la rivière, discussions avec les riverains et les pêcheurs. Ces gains de temps compensent largement la manipulation de 3 sacs de 25 kg par semaine.
Conclusion
L'utilisation d'une poudre minérale naturelle et insoluble permet de fiabiliser le fonctionnement de la station d’épuration de Cellettes. Cette petite station de 1 100 éq. hab. n'arrivait pas à faire face à une situation critique de surcharges hydrauliques et organiques, accentuée par un foisonnement filamenteux. Lors de l’expertise du site par un ingénieur Luzenac, de simples tests en éprouvette montraient que l’Aquatal T permettrait de diviser le volume corrigé par 2 et de réduire l'indice de boue à une valeur inférieure à 150 ml/g. Ces objectifs ont été atteints dans la station après une période de stabilisation d'un mois. Bien que les filaments soient toujours présents, cette station fonctionne « normalement » : maîtrise de la concentration en boue, bon épaississement, qualité de l’effluent rejeté. Le plan d’épandage mis en place pour valoriser les boues de la station de Cellettes n’est pas modifié par l'utilisation de cet additif, sans effet négatif immédiat ou à long terme sur l'environnement.
Ces améliorations durables du fonctionnement de la station sont obtenues sans surcoût pour la collectivité puisque la qualité des rejets dans le Beuvron est traduite par une régularisation des dépenses liées aux dysfonctionnements et par une augmentation de la prime à l’épuration reversée par l’Agence de l'eau.
Satisfait de ces résultats, le SIVOM de Cellettes-Chitenay-Cormeray utilise également maintenant cet additif pour fiabiliser le fonctionnement de la station de Chitenay.
[Encart : Glossaire : MES : Matières En Suspension. MVS : Matières Volatiles en Suspension. MESb : Biomasse = Boues = Matières En Suspension d'origine biologique. [MESb] = [MES] – [Aquatal T], soit en absence d’Aquatal T, [MESb] = [MES] Taux de traitement : quantité relative d’Aquatal T. Taux de traitement = [Aquatal T] / [MESb] V30 : Volume décanté en 30 minutes. V30 est mesuré lors d'un test de décantation en éprouvette d’1 litre, en appliquant les dilutions nécessaires à la limitation des effets de parois dans l’éprouvette. V30 est toujours compris entre 100 et 300 ml. Vit.déc : Vitesse de décantation. Vit.déc est mesurée lors d’un test de décantation en éprouvette d’1 litre, en appliquant les dilutions nécessaires à la limitation des effets de parois dans l’éprouvette. I.Bbio : Indice de boue biologique ou réel. I.Bbio représente le volume occupé par 1 gramme de boues biologiques après une décantation de 30 minutes réalisée en appliquant les dilutions nécessaires à la limitation des effets des parois dans l’éprouvette. I.Bbio = V30 / [MESb] * taux de dilution I.Btot : Indice de boue total ou apparent. I.Btot représente le volume occupé par 1 gramme de matière en suspension dans le bassin d'aération après une décantation de 30 minutes réalisée en appliquant les dilutions nécessaires à la limitation des effets de parois dans l’éprouvette. I.Btot = V30 / [MES] * taux de dilution Vt : Volume corrigé. Vt = I.Btot * [MES] = I.Bbio * [MESb] Pv.z : Profondeur de visée. Hauteur d'eau au-dessus du lit de boue dans le clarificateur.]
