Depuis quelques années, l'évolution de facteurs économiques tels que le prix des matières premières, associée au souci de préserver l'environnement, ont fait prendre conscience de la nécessité d'une meilleure gestion de nos ressources valorisables. C'est dans ce contexte que s'est développée l'utilisation, à des fins agricoles, des boues de stations d'épuration, lesquelles présentent une valeur fertilisante attractive pour l'agriculture comme source de matières organiques et d'éléments fertilisants.
Dans cette étude, nous nous limiterons au problème de la valorisation des boues liquides qui présentent, par rapport aux boues solides, l'avantage d'une simplification de la phase de déshydratation et d'une mécanisation facile et courante dans leur utilisation, au détriment d'une concentration en « matières actives » plus faible.
L'ORIGINE DES BOUES
Les eaux usées, collectées par le réseau d'assainissement, sont traitées à la station d'épuration. À l'issue de ce traitement, l'eau épurée est rejetée dans le milieu naturel et les résidus, constitués par les matières en suspension et les substances dissoutes, forment les boues.
Dans une station biologique, on distingue :
- — les boues primaires, retenues dans les décanteurs primaires et qui sont constituées essentiellement de matières organiques et minérales en suspension dans l'effluent ; n'ayant pas subi de décomposition, elles sont très instables et putrescibles ;
- — les boues secondaires, ou biologiques, qui apparaissent dans le décanteur secondaire, et qui sont composées des particules dispersées et des substances dissoutes fixées et métabolisées par les bactéries pendant la phase d'aération. Une partie est recyclée dans le bassin d'aération, le reste forme les boues biologiques en excès qui sont extraites pour être mélangées aux boues primaires.
Les boues résultant d'une épuration physico-chimique (boues de coagulation), qui contiennent en quantité des résidus de réactifs chimiques, sont généralement peu utilisées à des fins agricoles.
Une station d'épuration produit en moyenne, par jour et par habitant raccordé au réseau d'assainissement, deux litres de boues contenant vingt grammes de matières sèches par litre. À ce jour, on estime la production annuelle de boues des stations d'épuration urbaines à 900 000 tonnes de matières sèches, dont seulement 25 % environ sont utilisées en agriculture ; le reste est, soit incinéré, soit mis en décharge (ce qui revient alors à déplacer la pollution).
LE TRAITEMENT DES BOUES
La valorisation des boues utilisées pour les besoins agricoles exige que la station d'épuration fournisse un produit adapté aux besoins des utilisateurs. Il en résulte que la filière de traitement des boues doit comprendre une phase de concentration et une phase de stabilisation, afin de les rendre aptes à être stockées, épandues, sans nuisances pour l'environnement.
La concentration
Il s'agit de réduire le volume des boues par le principe de décantation ou de flottation. Cet épaississement permet de réduire les ouvrages de stockage et d'augmenter la concentration des éléments fertilisants.
La stabilisation
Les boues biologiques, encore très riches en matières organiques, sont instables et putrescibles. Elles possèdent encore des caractéristiques néfastes à leur utilisation directe en agriculture, en particulier à cause des odeurs. Leur stabilisation permet de réduire ce pouvoir de fermentation.
Il existe plusieurs méthodes de stabilisation :
- — la voie biologique aérobie. Elle consiste à poursuivre l'oxydation des matières organiques par aération soit dans un bassin à boues indépendant, soit par aération prolongée de l'effluent ;
- — la stabilisation biologique anaérobie. C'est une fermentation acide suivie d'une fermentation méthanique dans un digesteur.
teur non chauffé ou chauffé entre 32 et 35 °C. Pour éviter la formation d’un « chapeau » en surface et obtenir un bon mélange des boues fraîches avec celles en cours d’oxydation, un brassage efficace est nécessaire. Avec de faibles puissances installées, les agitateurs électro-submersibles donnent de très bons résultats (figure 1) ;
— la voie chimique. L’addition de réactifs tels que la chaux, par exemple, permet de bloquer le développement des micro-organismes. Il est indispensable de réaliser un mélange parfait de la chaux (ou du réactif) avec les boues afin d’éviter la reprise des fermentations (figure 2).
LES VALEURS FERTILISANTES ET L'INTÉRÊT AGRONOMIQUE DES BOUES
La composition des boues, que nous examinerons ci-dessous, varie en fonction des caractéristiques de l’effluent arrivant à la station et du type de traitement mis en œuvre (tableau 1).
Teneur en eau
Nous avons vu que les boues étaient encore riches en eau à la sortie de la station d’épuration (entre 94 et 98 %). Par des procédés mécaniques ou thermiques, elles peuvent perdre une partie de leur eau ; cependant, pour rester à l’état liquide, il faut que la teneur en matières sèches reste inférieure à 10 %. Il faut rappeler que tous les procédés de déshydratation destinés à obtenir des boues pelletables ou solides entraînent des dépenses supplémentaires qui se répercutent sur leurs conditions de cession aux agriculteurs.
Matières organiques
Par tonne de matières sèches, la boue contient en moyenne autant de matières organiques qu’un fumier, mais de nature différente : elle est en effet constituée de micro-organismes et des produits de leur métabolisme, alors que le fumier est composé de lignine et de matières cellulosiques.
Les teneurs en carbone sont de l’ordre de 40 % de matières sèches. Selon les résultats d’expériences récentes, 50 % du carbone seraient minéralisés la première année, le reste se transformant progressivement en humus dans le sol (coefficient isohumique K de 30 % environ) : sans aucun doute, les boues urbaines augmentent la fertilité du sol.
Tableau 1 : TENEURS MOYENNES EN ÉLÉMENTS FERTILISANTS DES BOUES URBAINES LIQUIDES
| Éléments | Moyenne (% M.S.) | Valeurs extrêmes (% M.S.) |
|---|---|---|
| Matières sèches (M.S.) | 4 | 3 à 6 |
| Matière organique (M.O.) | 65 | 57 à 70 |
| Carbone | 40 | 35 à 47 |
| Azote total | 4,5 | 3 à 7 |
| C/N | 8,5 | 6,7 à 11,5 |
| Acide phosphorique (P2O5) | 4,5 | 3 à 7 |
| Potasse (K2O) | 0,7 | 0,5 à 1,5 |
| Chaux (CaO) | 4,8 | 4 à 5,5 |
| Magnésie (MgO) | 0,4 | 0,35 à 0,5 |
| Sodium (Na2O) | 0,27 | 0,2 à 0,3 |
L’azote
La teneur en azote des boues varie de 3 à 7 % avec une valeur moyenne de 4 %. Plus ou moins rapidement assimilable par les plantes, il se présente soit sous forme organique dans les matières, soit, dans la phase liquide, le plus souvent sous forme minérale (nitrates ou ammonium) directement assimilable. Il en ressort que les boues liquides peuvent être considérées comme des amendements azotés (50 % de l’azote seraient disponibles la première année de culture).
L’azote étant l’élément auquel la production végétale est la plus sensible, il est essentiel de connaître dans quelle proportion et à quelle vitesse il sera libéré sous forme assimilable, afin de choisir les périodes d’épandage les plus favorables et d’ajuster la fumure minérale complémentaire en fonction des besoins des cultures. On peut retenir les normes ci-dessous :
- — teneur élevée en azote (> 5 %) C/N faible (< 8) : minéralisation rapide la première année ;
- — teneur moyenne (2 à 5 %) C/N stable (10 à 14) : libération lente d’azote minéral ;
- — teneur faible (< 2 %) C/N > 15 : immobilisation prolongée de l’azote minéral dans le sol (risque de carence).
Il faut remarquer que la stabilisation des boues par la chaux peut provoquer des pertes d’azote par volatilisation de l’ammoniac.
Le phosphore
Les boues sont toujours riches en acide phosphorique (de 3 à 7 % de matières sèches) ; il provient à raison de 60 % des détergents et pour 40 % des matières fécales. On peut dire qu’il correspond à 50 % de l’acide phosphorique contenu dans le superphosphate. Compte tenu du prix de l’acide phosphorique, cet élément constitue un facteur intéressant pour la valorisation des boues.
Le potassium
En général, les boues sont pauvres en potassium (0,5 à 1,5 % de la M.S.) car cet élément reste en solution dans les eaux rejetées.
Le calcium
En revanche, elles sont très riches en calcium (4 à 5,5 % de la M.S.) : les boues traitées à la chaux se comportent comme de véritables amendements calcaires.
Le magnésium
L'apport en magnésium n’est pas à négliger (0,4 % de la M.S.) ; cet élément devient très intéressant lorsque les sols en sont carencés.
Le sodium
Il n'est pas retenu et reste en solution dans les eaux épurées.
Métaux lourds
Certains éléments chimiques sont nécessaires à la production végétale : jusqu’à un certain seuil, ce sont les oligoéléments : Fe – Zn – Cu – Mn – B – Mo – etc. ; au-delà du seuil limite, ils deviennent phytotoxiques. D’autres, issus en général d’effluents industriels (Cd – Pb – Hg – Ni…) sont toxiques pour le sol et les plantes.
La norme AFNOR U-44-041 précise les doses admissibles (tableau 2).
Germes pathogènes
Les boues contiennent des micro-organismes et germes pathogènes présents dans les eaux résiduaires ; cependant, lors du traitement des boues et de l'épandage les conditions de vie ne leur sont pas favorables (température, humidité, nutriments nécessaires à leur bon développement), aussi disparaissent-ils assez rapidement.
LE STOCKAGE ET LE TRANSPORT DES BOUES
Le stockage
Compte tenu des contraintes climatiques, saisonnières et agronomiques, l’utilisation continue des boues en fonction de leur production ne peut pas être envisagée. En effet, le climat, la saison et les conditions atmosphériques restreignent leur utilisation en raison de divers facteurs :
- disponibilité des terrains en fonction des cycles végétatifs et des besoins des plantes en éléments fertilisants ;
- possibilités d'accès des véhicules à proximité et sur les terrains ;
- risques de contamination des eaux superficielles et souterraines par lessivage.
Pour lever ces contraintes, il est nécessaire de mettre en place un dispositif de stockage bien adapté à l’état liquide des boues. On distingue deux procédés :
Le stockage est réalisé sur le site même de la station d'épuration
Dans les stations de faible à moyenne importance, le stockage s’effectue généralement dans des cuves en béton (silo à boues) ou dans des digesteurs anaérobies surdimensionnés.
Tableau 2 : TENEUR EN MÉTAUX DES BOUES, DES SOLS ET DES PLANTES (IRH de Nancy)
| Zinc : | 2 000 à 3 000 | 4 000 | 300 | 150 | 3 000 |
|---|---|---|---|---|---|
| Manganèse : | 200 à 1 000 | 1 500 | 2 000 | 250 | 500 |
| Cuivre : | 200 à 1 000 | 2 250 | 100 | 15 | 1 500 |
| Plomb : | 100 à 300 | 4 000 | 100 | 8 | 300 |
| Chrome : | 50 à 200 | 675 | 150 | 0,1 | 200 |
| Nickel : | 25 à 100 | 610 | 80 | 8 | 100 |
| Cadmium : | 5 à 15 | 4 000 | 0,7 | 1 | 15 |
| Mercure : | 2 à 8 | 53 | 0,3 | 0,1 | 8 |
| Cobalt : | 30 | — | 2 | — | 20 |
Dans le cas d'une production de boues importante, le stockage est réalisé dans des lagunes rendues étanches par une bâche en butyl ou par un matériau imperméable.
Le stockage est effectué sur le site d'utilisation.
Dans certains cas, l'utilisation des fosses à lisier existantes est la solution la plus simple ; dans d'autres cas, le stockage est réalisé en plein champ, en cuves préfabriquées ou en lagunes. En général, la capacité des ouvrages de stockage doit être prévue pour les boues produites pendant une durée de trois mois.
L'utilisation d'une boue homogène avec une bonne répartition en éléments fertilisants est indispensable pour respecter le plan d'épandage ; pour cela, il faut équiper les ouvrages de stockage d'un système de brassage efficace et d'utilisation simple. Nos agitateurs répondent à ces exigences grâce à leur capacité de brassage importante et à leurs facilités de mise en œuvre. Dans les silos à boues, ils sont montés sur une potence pivotante qui leur permet d'intervenir à tous les niveaux et dans toutes les directions (figure 3).
Dans les lagunes, ils peuvent être montés sur un radeau fixe ou mobile (figure 4).
Le transport
Les roues sont rarement utilisées à proximité de la station d'épuration ; leur transport devient alors un maillon indispensable et coûteux qui limite, dans certains cas, leur valorisation.
En fonction de la situation géographique, du rayon d'utilisation des boues, on utilise divers moyens :
Les canalisations enterrées
Une station de pompage sur le site de production, des canalisations enterrées constituent une solution efficace et d'une grande souplesse d'utilisation ; cependant, compte tenu de l'importance de l'investissement, elle limite les distances de distribution ce qui comporte des risques de surdosage.
Les citernes tractées (ou tonnes à lisier)
Leur capacité s'étage de 3 000 à 10 000 litres. En zone rurale, et pour desservir les petites et moyennes stations d'épuration (inférieures à 10 000 équivalents/habitants), elles permettent d’organiser un système de transport bien adapté qui permet également de réaliser l'épandage (la citerne doit alors être équipée d'un compresseur ou d'une pompe entraînée par la prise de force du tracteur).
Tableau 3 : BESOINS DES CULTURES EN ÉLÉMENTS FERTILISANTS (Origine : Agence de Bassin Adour-Garonne)
| Cultures | Rendement | Remarques | Besoins totaux (kg/ha) | Exportations (kg/ha) | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| N | P₂O₅ | K₂O | N | P₂O₅ | K₂O | |||
| Blé tendre | 50 qx | pailles enfouies | 125 | 70 | 110 | 105 | 60 | 35 |
| Blé tendre | 70 qx | pailles enfouies | 170 | 100 | 140 | 145 | 80 | 50 |
| Orge d'hiver | 45 qx | pailles enfouies | 105 | 55 | 70 | 90 | 50 | 30 |
| Colza d'hiver | 27 qx | tiges effeuillées | 120 | 50 | 115 | 95 | 45 | 30 |
| Sorgho | 85 qx | tiges effeuillées | 195 | 85 | 215 | 130 | 60 | 35 |
| Maïs | 80 qx | tiges effeuillées | 160 | 60 | 330 | 115 | 50 | 30 |
| Tournesol | 30 qx | tiges effeuillées | 120 | 70 | 150 | 0 | 45 | 30 |
| Prairie Ray-grass | 12 t MS/ha | fauche ou pâture | – | – | – | 305 | 95 | 450 |
| Luzerne | 10 t MS/an | fauche ou pâture | – | – | – | 300 | 100 | 300 |
| Maïs ensilé | 12 t MS/an | ensilage | – | – | – | 164 | 50 | 200 |
Les camions citernes
D’une capacité de 10 à 30 m³, ils permettent un transport rapide jusqu'à un stockage intermédiaire ou en bordure de champ. Pour des chantiers d'épandage sur des distances importantes, c'est la solution économiquement intéressante.
L'épandage
Le volume de boues épandues est directement lié au plan d'épandage établi en fonction de l'assolement des cultures et du rendement attendu. Généralement, la dose (volume de boues apportées par hectare et par an) est déterminée par la satisfaction des besoins en azote des plantes (tableau 3). En moyenne, la quantité apportée varie de 50 à 80 m³ par hectare et par an d'une boue comportant 6 % de matières sèches (soit de 3 à 5 t/ha).
[Figure : Calendrier d'épandage (cycle normal de végétation).]La période d’apport doit tenir compte du fait que les éléments fertilisants ne sont pas immédiatement disponibles pour les plantes (voir sur la figure 5 un exemple de calendrier d’épandage).
L’épandage des boues peut être effectué par les citernes tractées ou tonnes à lisier qui en assurent le transport. Cependant ce système est souvent inadapté pour utiliser les boues d’une façon rationnelle (accessibilité aux parcelles, rendement horaire faible, mauvaise répartition, tassement du sol, travail contraignant, etc.) ; en effet, l’intérêt de valoriser les boues à l’état liquide réside dans la mécanisation et l’automatisation de leur exploitation.
Au niveau de la cuve de stockage, les boues sont maintenues homogènes grâce à un agitateur immergé à hélice propulsive, monté sur une potence pivotante et omnidirectionnel ; son fonctionnement séquentiel devient continu pendant la durée de l’épandage (figure 6). Il peut assurer un débit variant de 500 à 5 000 m³/h, offrant une capacité de brassage allant jusqu’à 2 000 m³.
La reprise des boues est réalisée par une pompe centrifuge à turbine ouverte, entraînée suivant la nature d’énergie disponible, soit par un moteur électrique ou un moteur thermique ou par la prise de force du tracteur. Son débit est de 20 à 60 m³/h sous une pression de 5 à 12 bars.
Sur le principe des systèmes d’irrigation, la répartition des boues sur le terrain est effectuée par des canons d’aspersion fixes ou mobiles.
Le canon fixe (figure 7) est un asperseur monté sur un trépied, qui se raccorde à la canalisation. Il permet d’épandre sur une zone circulaire ou de se limiter à un secteur. Cet appareil comporte une buse en caoutchouc pour laisser passer les grosses particules solides ; il est possible d’en fixer plusieurs sur la canalisation. Ses performances : rayon de portée : 20 à 32 m, pression nécessaire : 2 à 3 bars, débit : 10 à 25 m³/h.
Le canon mobile (figure 8) est un appareil qui dérive des enrouleurs automatiques utilisés en irrigation. Il est composé :
- d’un canon de grande portée monté sur un chariot mobile ;
- d’un tuyau souple en polyéthylène d’une longueur variable de 100 à 200 mètres ; ce tuyau sert à véhiculer la boue jusqu’au canon ;
- d’un système par treuil servant au déplacement du canon et à l’enroulement du tuyau sur le châssis ; son entraînement est réalisé par moteur thermique et par prise de force sur tracteur. Son débit varie de 20 à 60 m³/h avec pompe Aspersor sous une pression de 6 bars.
Compte tenu des nombreuses expérimentations menées en plein champ depuis plusieurs années et du suivi technique des installations existantes, il est aujourd’hui possible de maîtriser l’intérêt agronomique des boues et d’en connaître les limites d’utilisation. Par ailleurs, le matériel de reprise et d’épandage des boues liquides est techniquement au point. Tout laisse donc penser que nous assisterons dans les prochaines années à une utilisation rationnelle des boues liquides de stations d’épuration.
BIBLIOGRAPHIE
- Cahiers techniques, ministère de l’Environnement n° 7.
- Guide pratique d’utilisation agricole des boues de stations d’épuration, Agence de bassin Adour-Garonne.
- La valorisation agricole des boues urbaines, Institut national polytechnique de Toulouse.
