Haro sur les boues !

Davantage d’eau traitée et plus de traitements conduisent à produire plus de boues.

Selon les chiffres 2007 (publiés par l’IFEN), environ 1,8 million de tonnes de matières sèches de boues issues de station d’épuration sont produites en France chaque année contre près de 800 000 tonnes en 1998 : 52 % provenaient de l’industrie et 48 % de municipalités.

Or, au fil des années, il devient de plus en plus difficile de les éliminer.

Si l’épandage agricole a longtemps été privilégié par les traiteurs d’eau car 2,5 fois moins cher que l’incinération, les surfaces disponibles pour cette pratique s’amenuisent.

L’utilisation en agriculture se heurte à des résistances multiples et croissantes de la part des différents acteurs de la filière.

Ces derniers exigent une boue stabilisée et de qualité, c’est-à-dire débarrassée de ses matières fermentescibles et de ses différents polluants toxiques.

Autre voie possible, la mise en décharge, mais c’est une solution limitée dans le temps puisque la directive européenne du 26 avril 1999 pré-

L'épandage des boues se heurte à des résistances multiples et croissantes de la part des différents acteurs de la filière.

conse de réduire leur mise en décharge et va jusqu'à l'interdire totalement pour 2015. Quant à l'incinération, elle reste coûteuse et s'avère d'autant plus onéreuse lorsque station d'épuration et usine d'incinération ne se trouvent pas sur le même site puisqu'il faut transporter le plus souvent par la route un peu de matière sèche dans beaucoup d'eau. L'exploration d'autres voies a conduit les opérateurs à se pencher sur la valorisation des boues à l'aide de techniques telles que le compostage ou la production d'énergie par méthanisation. Une chose est sûre, quelle que soit la solution retenue, l'exploitant aura tout intérêt à réduire au maximum le volume de la boue en éliminant autant que faire se peut l'eau liée aux matières en suspension.

En sortie de filière eau : épaissir

La réduction de volume peut être obtenue par un épaississement plus ou moins poussé des matières en suspension. Cette étape est quasiment imposée en sortie de la filière eau là où la concentration de MES avoisine quelques grammes par litre. Plusieurs procédés sont disponibles pour effectuer cette opération première de concentration des MES. D'abord l'épaississement mécanique par décantation gravitaire appelé encore épaississement statique. Les MES décantent sous la seule action de la pesanteur, les boues épaissies sont soutirées au niveau du fond. Pour traiter les boues hydrophiles légères (boues biologiques ou boues d'hydroxydes) on préfèrera les épaississeurs dynamiques qui mettent en œuvre des énergies mécaniques. Ils présentent l'intérêt d'épaissir vite et plus, tout en réduisant l'impact foncier des épaississeurs statiques. La flottation à l'air dissous est particulièrement utilisée. Les techniques d'épaississement par égouttage (Andritz, Serinol, Huber Technology, Odipure, PHR Industrie) peuvent être complétées par des équipements de déshydratation mécanique tels les filtres à bandes (Andritz, ATR Créations, Emo, Odipure, Ultimop), filtres-presses (Andritz, Faure Équipements, Ultimop).

ou d'autres équipements comme par exemple les Adequapress d'Adequatec dont la toute nouvelle gamme H destinée aux petites et moyennes stations permet d'épaissir et de déshydrater les boues avec une seule machine (Voir EIN n° 317). La centrifugation est également une solution à la portée des petites stations depuis la présentation de l'Aldec10 d'Alfa Laval, de la D2 series d'Andritz, de la FP 600 de PHR Industrie, de la C3E de Flottweg et de l'UCD 205 ou 305 de GEA Westfalia Separator toutes dédiées à ce segment de marché.

Pour améliorer la déshydratation, il est parfois nécessaire de conditionner la boue à l'aide de réactifs minéraux ou de polymères de synthèse afin de réduire la résistance à la filtration et à la compressibilité, opération nécessaire pour assurer une séparation correcte de l'eau et de la par-

tie solide. L'objectif est de casser la cohésion colloïdale de la boue en augmentant artificiellement la taille des particules.

Une fois les boues liquides stabilisées et déshydratées, elles peuvent être traitées pour être conduites vers leur destination finale. Ainsi, le « Calci-traitement », développé par Lhoist, repose sur la synergie entre un réactif Neutralac® et un polymère pour améliorer la déshydratation et obtenir une boue chaulée et structurée correspondant aux besoins de l’exutoire choisi pour les boues.

L'association Neutralac®-floculant, adaptée selon que l’outil de déshydratation soit une centrifugeuse, un filtre à bande ou un filtre-presse, diminue la résistance à la filtration et associe un mélange chaux/boue le plus intime possible à l'optimisation de la capacité de déshydratation de la machine en termes de siccité, d’hygiénisation et de stabilisation des boues finales obtenues ; et parfois on en diminue la quantité lorsqu’on a enlevé plus d’eau qu’on a ajouté de chaux.

La gamme Neutralac® comprend des chaux vives à basicité retardée ou à réactivité retardée possibles à injecter directement sous forme pulvérulente ainsi qu'un nouveau réactif liquide hautement concentré (Neutralac® SLS 45 à 600 g/l), stable et très facile d’emploi. De son côté, Carmeuse a développé une chaux vive innovante, codecal®, à réactivité retardée qui permet l'utilisation de la chaux en pré-chaulage en centrifugeuse, conjointement avec des polymères organiques cationiques, combinant ainsi les avantages du filtre à plateaux avec ceux de la centrifugeuse. Mais difficile à cette étape de dépasser une siccité de 25 à 30 % sauf pour certaines boues de type industriel (boue hydrophobe minérale et boue huileuse, par exemple) d’où l'importance du séchage pour réduire encore la quantité d'eau.

Sécher les boues déshydratées

Le séchage thermique est une autre voie qui rend possible toute utilisation alternative ultérieure de valorisation des boues séchées. La technologie Innodry 2E, développée par Degrémont Technologies-Innoplana, intègre dans son procédé deux étapes, le premier est un évaporateur à couche mince dont la buée est récupérée pour préchauffer l’air du deuxième étage constitué d'un sécheur à bandes, et les granules sont extrudés entre les deux étages, en phase plastique, pour empêcher la création de poussière, et donc les risques d’explosion. À partir de boues déshydratées (entre 18 et 30 % en général), et pour des collectivités d’au moins 20 000 habitants, les sécheurs Innodry 2E permettent d’obtenir des granules séchés à plus de 90 %.

La capacité de ces sécheurs va de 500 litres à plus de 4 m³ d’eau évaporée par heure, et la récupération d’énergie thermique intégrée au process limite les besoins thermiques à moins de 700 kWh pour une tonne d’eau évaporée.

SIL a développé de son côté un procédé de séchage des boues permettant de recycler l’énergie contenue dans les buées et d’utiliser des combustibles divers tels que biogaz, graisses…

Ce procédé met en œuvre un sécheur à disques SIL et un oxydeur thermique CINCLUS. Le sécheur à disques permet le pré-séchage des boues (siccité de sortie d’environ 40 %), étape préliminaire à la valorisation énergétique des boues par pyrolyse ou combustion. Il peut également sécher les boues jusqu’à 90-95 % de siccité et alimenter une presse à granulés. Le traitement des buées issues du séchage est assuré par l’oxydeur qui récupère l’énergie contenue dans ces buées, traite les COV et NOx qui y sont présents et produit l’énergie nécessaire au sécheur en utilisant des énergies renouvelables comme le biogaz ou les graisses.

Ce type de procédé connaît plusieurs applications, notamment lorsque du biogaz ou des graisses sont disponibles (centres d’enfouissement technique, stations d’épuration, industries).

Depuis quelques années le séchage se pratique aussi via l’énergie solaire, une solution qui prend de l’ampleur en raison de son moindre coût énergétique. Là encore, les techniques se diversifient comme celle du plancher chauffant développé depuis cinq ans par Huber Technology et Ternois dans le cadre d’un partenariat exclusif. Une pompe à chaleur récupère une partie des calories de l’eau de sortie de step pour chauffer à environ 45 °C l’eau circulant dans le plancher qui, installé sous serre, peut ainsi être utilisé l’hiver. « Nous garantissons une siccité des boues à 80 % toute l’année contre 65 à 70 % avec un séchage solaire traditionnel. Une centrifugeuse en filière classique obtient, elle, une siccité autour de 20 % », indique Olivier Bernat, directeur général adjoint de Ternois. « Ce procédé qui permet de réduire la surface au sol et les coûts de transport évite par ailleurs les nuisances olfactives résultant du stockage des boues durant les périodes de faible ensoleillement. Ce qui motive les collectivités, ce sont des quantités de boues à gérer quatre fois plus faibles. Au final nous produisons des boues qui contiennent moins d’eau. C’est une solution d’avenir, une grande piste de réflexion actuelle », conclut Olivier Bernat.

Néanmoins, le séchage combiné ne dispense pas d’optimiser de façon pointue les paramètres conventionnels du séchage des boues. À partir d'une conception de serre efficace, la régulation automatisée du retournement des boues, de l’aération de la serre ainsi que de l’appoint en énergie du plancher chauffant permet d’assurer une capacité de séchage constante. Cette régulation permet de piloter l'installation en automatique sur la base de signaux mesurés en continu à l'intérieur et à l’extérieur de la serre, dans le souci constant d’optimiser la consommation d’énergie induite en fonction de l’évolution des conditions météorologiques et des caractéristiques des boues à sécher ou en cours de séchage. Elle garantit des valeurs optimales des facteurs essentiels à tout moment, en consommant le juste nécessaire d’énergie pour un rendement de séchage optimal. Le procédé Solairgies vise à générer un produit fini à une siccité minimale garantie (de 80 %), biologiquement stable, sans dégagement d'odeur résiduelle, facile à stocker.

Une autre approche consiste à détruire la matière organique.

Détruire la matière organique

En l'absence d’air ou d’oxygène et à une température située entre 400 °C et 700 °C, des techniques comme la pyrolyse ou la thermolyse dégradent les boues déjà séchées. Ces techniques sont gourmandes en énergie, ce qui les destine plutôt à la destruction des boues industrielles difficiles.

Autre procédé, l’oxydation par voie humide (OVH) soumet les boues liquides souvent épaissies à une température comprise entre 200 °C et 300 °C en présence d’un gaz oxydant. Développée par OTV France sous le nom d’Athos, elle est mise en place depuis 2001 en France. Plusieurs réalisations sont déjà réalisées sur les stations d’épuration d’Epernay et de Bruxelles en attendant celle de la station de Rennes Beaurade dont la mise en service est prévue pour 2010. Pyrofluid®, de Veolia Water Solutions & Technologies, est également une technique basée sur le traitement thermique. Elle consiste à oxyder la matière organique présente dans les boues par une combustion à 900 °C dans un four d’incinération à lit de sable fluidisé.

Vers des solutions globales de valorisation

Quelle que soit la technique utilisée face aux coûts importants de réduction des boues et aux implications environnementales de leur élimination, la valorisation en matière énergétique s'est ajoutée à l’autre forme de valorisation principale que représente le compost essentiellement utilisé en agriculture. Outre le fait que la méthanisation permet d’éliminer les boues à l'issue du traitement, leur combustion peut assurer l’autonomie énergétique du site qui les traite. C'est le cas à Marseille où l'usine de traitement des boues située dans la calanque de Sormiou, opérationnelle depuis 1987, a été modernisée entre 2005 et 2007. Le groupement d'entreprises Géolide piloté par OTV France (groupe Veolia Environnement) et composé de neuf partenaires régionaux a été retenu pour la refonte de ce site qui traite 105 tonnes de matières sèches par jour pour une production de 57 tonnes de boues séchées produites en moyenne 7 jours sur 7. Le dispositif remanié se décline en quatre étapes. D’abord l’épaississement par centrifugation puis la digestion anaérobie thermophile des boues épaissies chauffées à 55 °C qui séjournent dans un des trois digesteurs du site sur une période de 10 à 12 jours. Ces boues sont transformées en méthane ou biogaz pour une production énergétique moyenne de 170 000 kWh par jour, permettant à l'usine de se chauffer en période hivernale. Récupéré comme combustible, ce biogaz peut ensuite être valorisé par cogénération pour la production d’énergie électrique et thermique.

Aces Environnement élargit son offre

Aces Environnement, spécialiste français du compostage et tri-compostage des déchets, élargit son offre et sa gamme d’équipements en matière de compostage et séchage des boues et de traitement de l’air associé.

Sa dalle de compostage devient la dalle de référence pour le compostage et le séchage des déchets humides, liquides et boueux, les plus difficiles. L’aération des déchets est désormais possible sur des longueurs de linéaires aérauliques de 30, 60, 90 à 120 m et plus, sans mur intermédiaire, permettant d’optimiser la conception des usines de traitement de boues et déchets de 5 000 à 150 000 tonnes et plus (Recydem, Villerupt, Maine Compost, Carcassonne, Montargis, Gdansk…).

Les dalles aérauliques de diffusion de l’air permettent, à un premier niveau, de composter tous les types de déchets et notamment tous les types de boues urbaines et industrielles. Elles permettent, à un second niveau, de sécher efficacement tous les types de déchets et de boues et de les transformer en combustibles normés.

Parmi les innovations significatives, les jus de process sont désormais directement réinjectés dans les process grâce à une gamme complète de pompes industrielles pneumatiques quasi incassables et sans grand entretien. Ces pompes permettent l’injection des boues, des effluents chargés et des graisses dans les process au niveau de la préparation des déchets ou même au cœur des bioréacteurs de type BRS, des unités de méthanisation ou des process de traitement de l’eau.

Ensuite les étapes de déshydratation par des centrifugeuses et le séchage thermique. Ceci pour un taux de siccité de 90 % contre 50 % auparavant. On constate que, malgré l’augmentation de la quantité de boues liée à la meilleure épuration des eaux usées, le volume total à évacuer reste inchangé. Les boues transformées en granulés sont dirigées vers une filière de valorisation thermique ou agronomique par production d’engrais organo-minéral. Les eaux usées issues du traitement des boues sont redirigées vers l’usine de traitement des eaux située au centre de Marseille.

Autre solution globale commercialisée par Veolia Eau Solutions & Technologies, Biothelys®, permet d’améliorer la production de biogaz de 20 à 30 % par rapport au classique procédé de digestion tout en hygiénisant la boue restante permettant ainsi une valorisation agricole. En s’appuyant sur le procédé d’hydrolyse thermique Thelys™ qui augmente la biodégradabilité des boues, Biothelys® permet de solubiliser en amont une partie des MES tandis que la digestion anaérobie est choisie en aval. Actif également dans l’élimination des graisses, Biothelys® obtient un taux de siccité de 28-35 % après centrifugation et de 35 à 50 % à l’issue d’une phase déshydratation sur filtre-presse sans chaulage. Cette solution couplée à un digesteur produisant du biogaz offre une autosuffisance énergétique avec valorisation par le compostage ou l’oxydation thermique.

Digelis™ Turbo est l’offre de digestion boostée de Degrémont qui permet d’obtenir après déshydratation une quantité de boues hygiénisées réduite de moitié grâce à un procédé préliminaire d’hydrolyse thermique des boues mixtes ou biologiques. Avant d’être envoyée dans le digesteur, la boue est soumise à une hydrolyse thermique qui consiste en la mise sous pression et température de la boue préalablement épaissie et homogénéisée. Elle s’effectue dans un réacteur à 165 °C pendant 20 à 30 minutes. Les boues ainsi hygiénisées sont ensuite envoyées dans un réacteur de détente où la chute de pression occasionne la destruction des cellules. Enfin, avant d’être envoyées dans le digesteur, les boues sont refroidies par une étape d’échange thermique.

Les gaz produits lors de ces différentes étapes sont décomposés biologiquement dans le digesteur sans générer de nuisances olfactives. C’est dans la phase ultime de digestion anaérobie que les matières volatiles sont converties en biogaz constitué principalement de méthane (de 10 à 30 % de matières volatiles éliminées). Ce biogaz est utilisé pour alimenter la chaudière qui produit la vapeur nécessaire au procédé et/ou une cogénération. Les boues digérées hygiénisées ont après déshydratation une siccité de 30 à 40 % et peuvent être utilisées comme fertilisant. L’alimentation en vapeur pour le réchauffage des boues se réalise en circuit fermé à partir du biogaz produit par le procédé ou à partir de gaz naturel. Les cycles de fonctionnement sont entièrement automatisés.

Réduire la production des boues

Certains acteurs du traitement de l’eau proposent de réduire le volume des boues au moyen de différents procédés. C’est le cas du procédé Biocontrol® de Ondeo Industrial Solutions, du procédé MycET de Saur, de Sonoflux® développé par Stereau ou encore des procédés développés par Biovitis.

Un moyen consiste à injecter en cours de traitement des microorganismes sélectionnés. C’est le cas des technologies Enolys qui dégradent les graisses et Enolys+ qui traite les graisses et les protéines du sang. Ces deux procédés, développés par Akaeno, ont l’avantage de ne pas produire de boue. Le système Enobatch élimine quant à lui les polluants de type carbone, azote et phosphore sur un spectre d’action plus large. « Nous adaptons le fonctionnement d’Enobatch à la nature des effluents. Avec lui nous générons de l’ordre de 20 % de moins de boues que dans une filière classique avec boues activées » explique Didier Caire, directeur commercial d’Akaeno.

À l’issue d’un traitement complet qui intègre à la fois un dégrillage grossier par tamis rotatif, un stockage dans un bac tampon pour lisser tout ce qui est charge polluante, où les eaux sont aérées et homogénéisées, les effluents sont dirigés vers deux réacteurs pour y subir 14 phases différentes, alternant réactions aérobies, anaérobies et clarification. « Enobatch produit de meilleurs résultats qu’une solution classique en termes de compacité, de sécurité, de rendement épuratoire et de moindre production de boues. Ceci est rendu »

« possible par des alimentations séquentielles fines et multiples tout le long d’un cycle et des concentrations en biomasse plus élevées que dans des boues activées » affirme Didier Caire. « De plus, cet équipement est modulable, évolutif : les deux réacteurs fonctionnent ensemble mais de façon décalée, et peuvent aussi fonctionner séparément. D’où l’aspect sécurité si l’un des deux tombe en panne pour éviter de rejeter un effluent brut non traité. Il est possible de rajouter un troisième réacteur en cas de besoin d’extension ».

Au point de vue des coûts, cette solution nécessite moins de cuverie – qui peut être enterrée – et, du fait de l’absence d’un clarificateur, elle permet un gain de surface au sol. « En termes d’investissement, Enobatch coûte jusqu’à 20 % de moins qu’une filière traditionnelle. En fin de traitement, les boues sont épaissies par décantation, peuvent être valorisées en compostage ou encore traitées sur lits plantés de roseaux par exemple ».

Les microorganismes de traitement peuvent être soit des bactéries soit des champignons ou mycètes.

Applications sur lagunage

Algavi utilise des souches bactériennes et fongiques sélectionnées. Le traitement biologique se fait in situ sur les bassins de lagunage après une étude quantitative et qualitative visant à déterminer le volume, la teneur en matière organique et en éléments fertilisants (Carbone, Azote, Phosphore, …) des boues.

Le procédé Algostart® commercialisé par l’entreprise est un traitement développé pour les unités d’épuration par lagunage naturel ou aéré. « Nous réduisons le volume de boue en introduisant des microorganismes qui vont dégrader la fraction organique mais aussi en veillant à retrouver des conditions propices au développement microbiologique. Pour ce faire, nous utilisons un support naturel (carbonate marin) microporeux dont la structure alvéolaire offre une surface de colonisation très importante et des nutriments particulièrement assimilables » explique Fabrice Harang, ingénieur R&D chez Algavi.

« Un an après le traitement, nous dressons un bilan pour évaluer la diminution du volume de boue. Si besoin est, nous procédons à une réactivation des microorganismes de l’ordre de 10 à 20 % du traitement initial. En général, nous obtenons une réduction des boues voisine de 70 % à l’issue de la première année. Au-delà de la fabrication du produit, Algostart® est un concept global décomposable en trois séquences : 1/ Pré-étude et état initial, 2/ Formulation et mise en place du traitement biologique adapté, 3/ Contrôle et bilan à 1 an. En s’adaptant ainsi aux caractéristiques de chaque site, nous apportons une réponse spécifique permettant d’obtenir des résultats probants ».

à l’exploitation