Les eaux usées déversées par les agglomérations urbaines contiennent une pollution ne permettant pas leur déversement direct en milieu naturel et doivent subir des traitements d’épuration afin de satisfaire aux normes de rejet actuellement en vigueur.
La majorité des techniques de traitement des eaux usées, qu’elles soient biologiques ou physico-chimiques, aboutit à recueillir une partie notable de la pollution initialement présente dans les effluents sous la forme de suspensions de matières solides concentrées que sont les boues résiduaires. Ces boues constituent des déchets volumineux puisqu’elles contiennent généralement 95 à 99 % d’eau et des générateurs de nuisances dans la mesure où elles sont constituées principalement de matières organiques fermentescibles ou de matières toxiques.
L’application d’une valeur moyenne de production de boues de 50 g de matières sèches par habitant et par jour à une population raccordée actuellement estimée à 25 millions d’habitants (cas de la France) conduit à la production annuelle de 456 000 tonnes de matières sèches, ce qui équivaut à un volume de boues liquides de 9 120 000 m³/an à une concentration de 5 %, ou à 1 824 000 tonnes/an de boues pelletables de concentration 25 % telle qu’elle est en général issue des installations de déshydratation mécanique.
Un problème majeur posé à l’exploitant d’une station d’épuration consiste à trouver une solution pour se débarrasser de ces boues dans des conditions économiques acceptables tout en respectant les contraintes liées à la protection de l’environnement et à l’hygiène publique.
Nous allons essayer au cours de cet exposé de faire ressortir parmi toutes les filières de traitement, celles qui sont les plus aptes à fournir des boues valorisables en agriculture, puis nous présenterons à titre d’exemple l’usine de compostage de Saint-Palais-sur-Mer.
Nous noterons au passage que lorsque la solution envisagée est l’utilisation agricole, il paraît tout indiqué de prendre en compte non seulement les boues résiduaires urbaines mais également celles qui sont issues de certaines industries, notamment agro-alimentaires, qui ne présentent pas a priori de contre-indications.
LA PRODUCTION DES BOUES PAR LES DIVERSES FILIÈRES : CARACTÉRISTIQUES FAVORABLES À UNE UTILISATION AGRICOLE
L’origine des effluents reçus par une station d’épuration et la nature des traitements que subissent les boues conditionnent fortement leurs caractéristiques physico-chimiques et donc leur valeur agronomique.
Influence de la nature de l’effluent traité à la station
On a pu remarquer que les effluents provenant de réseaux dits unitaires étaient plus chargés en zinc et en plomb que ceux provenant de réseaux séparatifs ; ces différences se retrouvent dans les boues correspondantes.
De même, les boues issues du traitement d’effluents mixtes urbains et industriels sont très généralement plus chargées en éléments traces (bore, métaux lourds…) que les boues purement urbaines.
De leur côté, les effluents d’industries agro-alimentaires telles que les laiteries peuvent enrichir en matières organiques et en azote les effluents domestiques auxquels ils sont mélangés le cas échéant, ce qui se répercute sur la composition des boues.
Enfin, la qualité des effluents évolue en fonction des habitudes des ménages : citons par exemple l’apparition massive du phosphore à la suite de la généralisation des lessives industrielles.
Influence du mode de traitement
Les boues produites dans une station d’épuration sont le plus souvent constituées par un mélange :
- des matières en suspension dans l’eau et séparées par décantation dans le décanteur primaire pour donner les « boues primaires » ;
- des corps microbiens formés pendant le traitement biologique à partir des substances métabolisables dissoutes dans les eaux et retenus par décantation dans le décanteur secondaire.
À ce mélange on donne le nom de « boue mixte fraîche » ; c’est lui qui doit être traité pour réduire les nuisances qu’il entraîne.
Certaines stations d’épuration procèdent non par voie biologique mais par voie physico-chimique ; elles ne représentent encore qu’un très petit nombre de cas. Les parti-
cules polluantes solides y sont agglomérées par des réactifs chimiques puis séparées par décantation. Ces boues s’apparentent aux boues primaires des traitements biologiques mais enrichies en certains éléments (Fe, Al, Ca, S) présents dans les réactifs utilisés.
Les « boues mixtes fraîches » ainsi fournies subissent un traitement dont les étapes principales sont les suivantes :
a) la stabilisation
La stabilisation a pour but de décomposer les matières les plus fermentescibles pour réduire l’évolution des boues et éviter les nuisances ; cette dégradation microbienne peut être conduite, soit en aérobiose, soit en anaérobiose.
La digestion anaérobie conduit à une destruction de 45 % environ de la matière organique des boues et l'obtention d’un liquide en suspension contenant des sels d’acides volatiles (acétique, propionique, butyrique, etc.), des bicarbonates. L’azote dissous est présent sous forme de sels d'ammonium et généralement on note l’absence de nitrate dans les boues digérées anaérobies, ce composé étant réduit en azote gazeux par dénitrification.
À l'opposé, la digestion aérobie conduit à une destruction de 35 % de la matière organique et l’obtention d’un liquide de suspension peu chargé en matières organiques où l’azote est présent sous forme oxydée (nitrates).
Il est généralement possible de stabiliser les boues par voie chimique en apportant une dose massive de chaux. L’élévation du pH (> 11) a pour effet de bloquer les fermentations et d’éviter les dégagements de mauvaises odeurs. Les boues obtenues après chaulage sont encore riches en matières organiques puisque celles-ci ne sont pas détruites, leur pH est très élevé, leur teneur en calcium est importante, leurs phosphates peuvent être bloqués sous une forme inaccessible aux végétaux.
b) le conditionnement
Cette opération est destinée à faciliter la déshydratation ultérieure.
Le conditionnement chimique par polyélectrolytes ne modifie pas les caractéristiques chimiques de la boue. Sa seule conséquence, outre le fait de rendre les boues plus facilement déshydratables, est que le produit ajouté se retrouve pratiquement intégralement dans la phase solide de la boue. L’expérience acquise montre que ces produits n’ont aucun effet défavorable vis-à-vis des végétaux.
Le conditionnement chimique par sels minéraux et chaux (sels de fer et d’aluminium) agglomère les colloïdes par coagulation (comme dans le cas précédent) et se traduit par une augmentation de la masse de solide dans la boue par suite de la formation de composés insolubles (hydroxydes, carbonates) à partir des réactifs ajoutés. L’adjonction de tels additifs a des conséquences sur le pH et les teneurs en métaux des boues (fer, aluminium et autres, présents à l’état d’impuretés).
Le conditionnement thermique, plus rarement utilisé (cas de grandes stations) consiste à chauffer sous pression équilibrante (15 à 20 kg/cm²) les boues liquides à une température de l’ordre de 180 à 220 °C pendant 20 à 30 minutes. Cette opération se traduit par des modifications profondes des caractéristiques de la boue : agglomération des colloïdes, coagulation des protéines, hydrolyse et solubilisation de la fraction des matières organiques la plus hydrophyle, modification des propriétés agronomiques.
c) la déshydratation
Elle a pour but l’élimination de la majeure partie de l’eau contenue dans la boue et l’obtention d’un déchet solide facilement manutentionnable et de volume réduit. Cette opération a deux conséquences importantes :
- le degré de séparation des phases solide et liquide détermine la quantité de liquide interstitiel qui demeure dans le déchet solide et par conséquent les proportions solide/liquide. La composition chimique des boues s’en trouve affectée puisque les constituants et leurs concentrations dans les deux phases ne sont pas les mêmes ;
- la structure des boues est également modifiée par la déshydratation en fonction du procédé appliqué (centrifugation, filtration sous vide, filtration sous pression).
En conclusion on retiendra que, selon la filière qui les a produites, les boues se distinguent par leur siccité, leur pH, la nature et la teneur de leurs composés organiques et enfin la nature et la teneur de leurs éléments azotés. En outre, on notera que, quel que soit le mode de production, les boues présentent des risques d’ordre sanitaire, en particulier les boues digérées aérobies et anaérobies. Ces risques justifient des précautions particulières lors de l’utilisation agricole.
L’UNITE DE COMPOSTAGE DE SAINT-PALAIS
Rappel de données sur le compostage
Nous venons de voir dans la première partie comment sont obtenues les boues de stations et comment la nature de l'effluent ou du traitement pouvait changer certaines de leurs caractéristiques. Nous abordons maintenant le compostage qui constitue l’étape ultime d'une filière incluant la valorisation agricole des boues. Son principe sera illustré figure 1 par le cas de la station de Saint-Palais (Charente-Maritime).
Le compostage est le terme habituellement retenu pour la décomposition par voie biologique aérobie de matières organiques biodégradables solides. Cette dégradation, qui résulte de l’activité de micro-organismes très divers, en particulier de bactéries, champignons et actinomycètes, s’accompagne d'une élévation de température pouvant atteindre 80 °C et se traduit en pratique :
COMPOSTAGE DES BOUES
— par une réduction de l’humidité consécutive à l’échauffement et à l’insufflation d’air,
— par une hygiénisation ou destruction des germes pathogènes résultant de l’élévation de température et de la sécrétion de substances antibiotiques par certains micro-organismes présents dans le milieu (actinomycètes, moisissures du genre Pénicillium),
— par l’obtention d’un résidu riche en matières humifiables, sels minéraux et micro-organismes utiles à la vie des végétaux.
Pour se dérouler le mieux possible, le compostage requiert les conditions de milieux suivantes :
— humidité comprise entre 35 et 65 %; une humidité inférieure à 35 % limite la prolifération des micro-organismes responsables du compostage et par conséquent la vitesse du processus, tandis qu’une humidité supérieure à 65 % risque de provoquer une décomposition anaérobie,
— teneur en oxygène de la phase gazeuse suffisante et en pratique supérieure à 10 % de façon à maintenir en permanence le milieu en aérobiose, malgré la consommation d’oxygène par les processus biologiques de dégradation et oxydation de la matière organique,
— teneur du produit à composter suffisante en azote et phosphore pour permettre la multiplication des micro-organismes impliqués dans le compostage,
— absence de substances toxiques pouvant provoquer un blocage de la fermentation aérobie ou altérer la qualité du produit obtenu.
De l’énumération précédente on déduit que les boues ne constituent pratiquement jamais un support convenable pour le compostage : elles sont trop humides et présentent un excès d’azote, compte tenu de leur teneur en carbone.
Le problème a été résolu, à Saint-Palais, par l’adjonction aux boues de sciure et d’écorce de pin, matériaux faiblement humides et qui ont un rapport carbone/azote élevé.
La station d’épuration de Saint-Palais :
— Description et fonctionnement : La station d’épuration de Saint-Palais a une capacité de 100 000 éq./ha ; elle est prévue pour répondre à une situation fluctuante au
cours de l'année, se répartissant globalement sur deux périodes :
Capacité de la station (effluent niveau 5) :
| Volume été : | 15 000 m³/j |
| Volume hiver : | 4 680 m³/j |
| DBO₅ : | 6 000 kg/j |
| MES : | 9 000 kg/j |
Les effluents traités sont exclusivement d'origine urbaine et rurale.
La production nominale de boue est de 4 100 tonnes par an à 17-22 % de siccité ; ce sont des boues fraîches mixtes (boues de décantation primaire et boues activées en excès). Pendant la période hivernale un seul traitement biologique est appliqué, alors que l'été un traitement physico-chimique complémentaire accroît la décantation primaire et réduit la charge du traitement biologique.
Les boues issues des deux décanteurs (boues primaires riches en matières organiques et boues secondaires en excès minéralisées) sont collectées dans un épaississeur avant la déshydratation mécanique ; elles ne subissent donc pas de stabilisation (aérobie ou anaérobie), afin de conserver la plus grande partie de leur matière fermentescible jusqu’au traitement par compostage.
À la suite du conditionnement, une bande presseuse du type PRESS-DEG amène les boues à une siccité de 17 à 22 % ; cette teneur en matières sèches étant le meilleur compromis entre une trop grande humidité (qui gêne le compostage) et une trop forte siccité (qui, en plus de l’énergie qu’elle demande, peut rendre impossibles les manipulations ultérieures).
Les boues sont enlevées quotidiennement à la sortie du PRESS-DEG par un tracto-chargeur et déversées dans une première trémie d’alimentation ; une deuxième trémie reçoit les sciures et les écorces de pin. Les deux trémies sont équipées à leur base d’une vis sans fin permettant de doser correctement les quantités de boues et d’écorces à mélanger afin d’obtenir un produit compostable. Après mélange, les boues et les écorces sont acheminées au sommet de l’hygiénisateur et introduites par une goulotte pivotante dans un des quatre compartiments.
L'hygiénisateur est constitué d'une tour verticale cylindrique en béton armé. Le béton assure un bon isolement thermique qui favorise une montée rapide de la température et accélère ainsi la biodégradation. L’extraction est assurée par une vis d’Archimède commandée par un moteur hydraulique permettant de faire varier le débit. Cette vis est supportée à une extrémité par un pivot central et à l’autre par un chariot qui se déplace sur une trajectoire circulaire. La surface couverte par le déplacement de la vis correspond à la base de l'hygiénisateur. L'orifice d’extraction est au centre de la tour. Le produit extrait est, soit reconduit au sommet de l’hygiénisateur au cours des opérations dites de « retournement », soit évacué vers une aire de maturation.
a) retournement
Les opérations de retournement permettent d’éviter une trop forte compaction à l'intérieur de la tour ; elles contribuent à l’aération, l'homogénéisation et la déshydratation du produit ; elles assurent enfin l’exposition de toutes les couches de produits aux mêmes températures.
b) évacuation
À la fin du temps de compostage accéléré en hygiénisateur, le produit est sorti définitivement puis repris par un tracto-chargeur qui la place en andains sur une aire de maturation.
L'hygiénisateur est également équipé :
— à sa sortie supérieure de quatre surpresseurs qui, en mettant le haut de la tour en dépression, provoquent une circulation d’air à travers le produit pendant toute la durée du compostage et évacuent la vapeur d'eau et les gaz. Ils peuvent être régulés à partir d’appareils de contrôle (température, teneur en oxygène ou gaz carbonique de l'échappement), — d’indicateurs de température, à l'intérieur, — à la sortie des gaz, d'une installation de traitement par condensation et lavage pour capter l’ammoniac en éliminant ainsi toute source d’odeurs.
Composition du mélange (en poids) à l’entrée de l’hygiénisateur : boues : 70 %, sciures/écorces : 30 %.
Caractéristiques moyennes à l'entrée : pH : 8,2 — H₂O : 60 % — C/N : 40.
Caractéristiques moyennes à la sortie : pH : 7,0 — H₂O : 50 % — C/N : 23.
Temps de séjour dans l’hygiénisateur : 8 à 12 jours.
Au cours de son traitement en hygiénisateur, le mélange s'échauffe à 70-80 °C pendant plusieurs jours. Ces températures atteintes dans des ambiances humides assurent une destruction complète des germes pathogènes d'origine humaine ou animale concentrés dans les boues lors du traitement en station d’épuration.
— Maturation
À la sortie de l’hygiénisateur, le compost est hygiénisé, désodorisé et suffisamment déshydraté pour laisser passer l’air de façon natu-
Il n'est cependant pas encore utilisable en agriculture car son évolution n’est pas terminée. C’est pourquoi on le laisse maturer sur aire couverte en entretenant par des retournements périodiques une oxygénation suffisante. Au cours de cette maturation, l’activité microbienne se poursuit (attaque de la cellulose et de la lignine), la température peut encore atteindre 50 °C. Le rapport C/N, l'humidité et le pH diminuent. C’est au cours de cette période que s’ébauche le phénomène d’humidification.
Description et utilisation agronomique du produit
Le compost maturé se présente sous la forme d'un terreau brunâtre d’odeur agréable dans lequel aucun indice ne ressort de la composante « boue ».
Compte tenu des pertes d’eau et des réductions de poids liées à la biodégradation des matières organiques, la production de compost à Saint-Palais correspond à l’égalité suivante :
1 tonne boue 78-83 % H₂O + 0,5 tonne sciure/écorce = 0,9 à 1 tonne de compost maturé à 45 % H₂O
Les caractéristiques moyennes du compost sont données ci-après :
pH : 6,5 à 7,0 H₂O : 43 % à 48 % Matières organiques : 41 % – 48 % C/N : 18 à 23
Sur le plan agronomique, le compost doit être considéré comme un amendement organique. Son action dans le sol permet une granulation et une stabilisation de la structure, l’augmentation de la rétention en eau et de la capacité d’échange cationique, la stimulation de l’activité microbienne. C’est aussi une source d’éléments minéraux et d’activateurs de croissance pour la plante.
Le C/N est suffisamment bas pour ne pas provoquer un blocage d’azote lorsqu’il est appliqué au sol.
L’azote est principalement présent sous forme organique (protéines microbiennes : azote fixé à la périphérie des molécules humiques sous forme d’aminés ou de composés ammoniacaux) facilement attaquable par les bactéries minéralisatrices. Cet azote est donc mis graduellement à la disposition des plantes au fur et à mesure de la biodégradation du compost dans le sol. Il en est de même pour le phosphore que l'on trouve sous forme d’humophosphate et pour les oligoéléments complexés par la matière organique.
Bien que les éléments minéraux ne soient pas immédiatement disponibles pour les plantes, leur apport n’est pas négligeable : 10 tonnes de compost à 50 % de matières sèches donnent : 90 kg d’azote, 80 kg d’acide phosphorique, 8 kg de potasse ; c’est plus qu’un fumier de bovin.
La teneur du compost en sels solubles est faible — résistivité 800 ohms/cm — ainsi que sa demande en oxygène. Il n’y a donc pas lieu de craindre de dessèchement ou d’anoxie pour les plantes.
Ce compost trouve des débouchés en maraîchage, horticulture, arboriculture, viticulture et dans les pépinières.
CONCLUSION
Toutes les stations d’épuration produisent des boues résiduaires, mais leurs boues ne sont pas également valorisables en agriculture. La qualité de l’effluent est déterminante puisque nous avons vu que les boues concentrent les éléments toxiques (métaux lourds) et les matières fermentescibles. Les teneurs relatives des boues de ces deux composants permettent d’en apprécier les qualités agronomiques.
Cependant les caractéristiques de la station d’épuration peuvent réduire l’intérêt d’une valorisation agricole.
Le cas de Saint-Palais est à l’heure actuelle l’exemple d’une optimisation du principe de la récupération des boues dans une station qui préserve au maximum les composants valorisables en agriculture et un compostage qui y ajoute la stabilisation, la facilité du stockage et l’élimination du risque pathogène.
