Le compostage aérobie des boues de station d'épuration le procédé B.A.V.

Or, on le sait, les boues stabilisées peuvent constituer un excellent amendement organique ; qui n’a jamais vu de plants de tomates poussant d’eux-mêmes sur les aires de séchage ? D’autre part, l’utilisation abusive d’engrais minéraux en agriculture, depuis quelques années, a appauvri les sols en carbone organique. Toute tentative de récupération et de valorisation des boues de station d’épuration à des fins agricoles mérite donc qu’on s’y intéresse.

Cependant, la législation réglemente l’utilisation des boues comme engrais en raison notamment de la présence de nombreux germes pathogènes et virus. C’est pourquoi la Société E.P.A.P. a adopté pour la station d'épuration de Nantes-Sud un mode de transformation des boues déjà utilisé en Allemagne, le compostage aérobie par le procédé B.A.V. Il s’agit d’un procédé breveté dont la licence appartient à notre groupe.

I. — LE PROCÉDÉ B.A.V.

A. — PRINCIPE DU COMPOSTAGE AÉROBIE

Il s’agit d’un phénomène naturel mis en jeu notamment lors de la constitution d’un humus. On peut cependant décrire le compostage aérobie comme une série d’oxydations d’un substrat organique (cadavres végétaux, animaux, etc.) réalisées par des organismes vivants : bactéries, levures, champignons. Ces réactions libèrent de l’énergie qui se transforme en chaleur. On constate une élévation importante de la température, celle-ci pouvant atteindre 80 °C.

Le procédé B.A.V. vise donc à recréer artificiellement les conditions de formation d’un humus. Or, si les boues stabilisées sont riches en matière vivante et en matière organique azotée, il faut leur fournir un support suffisamment riche en carbone. Ces deux éléments (boue et support carboné) devront être intimement mélangés avant d’être mis en présence de l’oxygène nécessaire à la réalisation de la chaîne de réactions. Ce mélange doit également être assez poreux pour permettre une libre circulation de l’air et éviter ainsi la formation de zones d’anaérobiose.

B. — LE B.A.V. DE NANTES-SUD

1. — Caractéristiques de la station

Il nous paraît utile de situer le B.A.V. au sein de la station d’épuration de Nantes-Sud afin d’en comprendre le dimensionnement.

La station de la Petite Californie a été prévue pour traiter les eaux usées d’une population équivalente à 185 000 habitants incluant les communes de la rive sud de la Loire ainsi qu’un abattoir et deux conserveries alimentaires (pois, flageolets, céleris).

Elle est prévue pour fonctionner en aération prolongée.

Le bassin d’activation est un chenal ouvert de 21 000 m³ recevant des eaux dégrillées, dessablées.

et dégraissées — 8 groupes de 2 aéroréfrigérants de 8 m en assurent l’aération et le brassage. Les boues sont décantées dans deux clarificateurs raclés de 36 m de diamètre. L'eau épurée passe dans un bassin de chloration avant d’être rejetée en Loire.

Les boues en excès sont concentrées dans un épaississeur de 510 m³ avant d’être déshydratées sur deux machines Siebbandpresses. Ces boues déshydratées sont alors mélangées à la sciure de bois et envoyées dans la tour de compostage aérobie.

2. - Le dimensionnement du B.A.V.

Les calculs théoriques de production de boues sur lesquels les installations de traitement ont été dimensionnées donnent une production globale de 2 423 t/an de matières sèches.

Le temps de compostage est de 10 jours. Le produit est recyclé à 100 %. Le support carboné (sciure) est ajouté dans la proportion de 100 à 200 % en volume du mélange en raison de la faible siccité de la boue déshydratée et de la quantité de sciure disponible.

Le volume utile a été limité à 600 m³ pour des raisons technologiques. En effet, jusqu’à présent, les B.A.V. les plus importants en Allemagne ne font que 500 m³. De plus gros volumes risquent de poser des problèmes mécaniques importants.

En fait, un volume de 600 m³ correspond à un séjour de 10 jours.

3. - Description de l’installation

a) Stockage de la sciure

La sciure est stockée dans deux bennes mobiles de 30 m³. Ces bennes sont transportables par camion. Elles sont remplies dans une scierie proche de la station et amenées sur place.

Un ensemble de bandes transporteuses et de vis de relèvement permet la vidange continue de la benne pour l’alimentation au débit désiré du malaxeur.

b) Surpresseurs d’air

Le dimensionnement des surpresseurs est fondé sur le volume d’air nécessaire à l’élimination d’une certaine quantité d’eau du mélange boue-support carboné, et à la respiration des micro-organismes.

Dans le cas de Nantes-Sud, il y a 2 surpresseurs identiques fonctionnant alternativement.

c) La tour de compostage

La paroi de cette tour, isolée thermiquement, porte 6 sondes de température reliées à un enregistreur ainsi que deux prises de gaz. On peut donc connaître à chaque instant la température à 6 niveaux différents ainsi que les teneurs en O₂ et CO₂ de l’air sortant.

Sous cette tour, se trouvent deux locaux. L’un où sont logés les deux surpresseurs, l’autre où se trouve le dispositif de réception du compost et les moteurs de l’extracteur.

Au fond du silo on trouve :

— les rampes d’aération : il s'agit de tuyaux concentriques percés de part en part de deux trous dans la partie inférieure. Ces tuyaux sont alimentés par 2 nourrices en provenance des 2 surpresseurs.

— l'extracteur : celui-ci se compose de 2 parties :

* un bras tournant autour d'un point central et appuyé à la périphérie sur un rail. Ce bras est solidaire d'une roue dentée située sous le B.A.V. Cette roue dentée est mise en rotation par deux cliquets portés par une couronne extérieure actionnée par deux vérins hydrauliques.

* une chaîne tournant autour du bras et portant un nombre d'outils taillant dans la masse du produit à extraire au fur et à mesure que le bras avance et ramenant ce produit vers un trou central. Le produit ainsi extrait est évacué par deux trappes, recueilli dans une trémie et emporté par un transporteur.

Après divers incidents sur l’extracteur, la Société E.P.A.P. a décidé de revoir entièrement sa conception. Elle a pris de nouveaux coefficients de sécurité qui ont nécessité l'emploi de qualité d’acier très particulière et s'est réservée la possibilité d’y accéder facilement. Ce nouveau matériel, bien plus robuste, donne entière satisfaction depuis 2 ans.

d) Trémies de stockage

À la sortie de la déshydratation, les boues s'accumulent dans une trémie de 15 m³ installée dans l’enceinte du local de traitement des boues. Une trémie identique située à l'extérieur est destinée à recevoir le produit recyclé.

e) Malaxeur

Sous chacune de ces trémies, un transporteur achemine la boue et le produit vers un malaxeur. Ce malaxeur est un bac contenant deux axes parallèles de section carrée. Chacune des faces porte des palettes triangulaires orientables qui assurent un brassage et un mélange intime des deux composants.

f) Bandes transporteuses

— alimentation du composteur : à la sortie du mélangeur, un long transporteur oblique puis un transporteur horizontal entraînent le mélange dans la tour de compostage. Le produit tombe par une goulotte sous laquelle un égalisateur répartit le produit sur toute la surface.

— extraction du compost : le produit extrait à l’aide du dispositif décrit plus haut tombe dans une petite trémie et est emporté par un transporteur vers une goulotte bi-directionnelle. Celle-ci permet soit d'extraire le produit pour l’acheminer vers l’aire de mûrissement, soit de le recycler en le renvoyant dans la trémie de recyclage.

g) Aire de mûrissement

Sur l’aire d’une superficie de 800 m² a été construit un hangar afin d’éviter toute hydratation du compost en cours de mûrissement par temps de pluie.

II. — CONDUITE DU BIOREACTEUR

Le mélange introduit dans le B.A.V. diffère du mélange utilisé pour le remplissage puisqu’il réunit trois composants. On y retrouve la boue et le support carboné auxquels s'ajoute le produit de recyclage. Les proportions sont les suivantes :

En volume

25 % boue
40 % recyclage
35 % support

En poids

45 % boue
40 % recyclage
15 % support

Le produit recyclé assure notamment au mélange sa porosité et limite ainsi l’apport de support carboné. Le rapport C/N du mélange n’a donc pas une valeur trop élevée. Afin d'équilibrer le nouvel apport de matière (boue + sciure) on extrait la même quantité de produit fini que l'on dispose en andain de 1,2 à 1,5 m de haut pour permettre aux réactions lentes de s'achever. Cette phase de mûrissement dure 3 à 4 semaines au terme desquelles le compost peut être utilisé.

En définitive, on peut estimer que pour obtenir 1,6 m³ de compost, il faut mélanger :

1 m³ de boues
1,7 m³ de sciure
1,7 m³ de recyclage

Voici quel est le schéma du fonctionnement du bioréacteur B.A.V. Celui de Nantes-Sud étant le premier installé en France, il va de soi que de nombreuses difficultés se sont posées. Il ne s'agit d’ailleurs pour la plupart que de problèmes mécaniques. Nous avons pu constater, en effet, que les réactions biologiques s'engagent très rapidement après que le mélange ait été introduit.

III. — APERÇU DES PHÉNOMÈNES MIS EN JEU AU SEIN DU COMPOSTEUR

Comme nous l’avons dit, de nombreuses réactions intervenant dans la constitution d'un humus sont mal connues. Et notre propos n'est pas de les étudier ici. Nous ne pouvons que constater la transformation du substrat notamment par des mesures physico-chimiques.

1. — Température

L'installation de 6 sondes de température le long de la paroi permet de constater la mise en place de strates de température décroissante du haut vers le bas. Ces températures, dans les deux tiers inférieurs du moins, restent relativement constantes. Dans la partie supérieure, les températures peuvent varier d'un jour à l'autre, notamment en fonction de la qualité de la sciure utilisée, de son pouvoir calorifique, de la qualité des boues et de leur taux de minéralisation. Voici, par exemple, un relevé effectué à 9 h du matin à la fin de la période de remplissage.

L'une des principales conséquences de cette augmentation de température est l’élimination des germes pathogènes contenus dans la boue et dont les acides aminés du noyau sont dénaturés quand la température atteint 65 à 70 °C.

2. — Gaz

Deux prises de gaz reliées à un analyseur et un enregistreur permettent de connaître la teneur en O₂ et CO₂ de l'air au sommet du B.A.V. Ceci permet notamment de vérifier l'aérobiose dans le composteur. En effet, au cas où l'O₂ (21 % à l'entrée) deviendrait inférieur à 10 % en sortie, ou bien si le CO₂ dépassait 6 à 8 %, il serait alors nécessaire de mettre en marche le deuxième surpresseur pour augmenter l'aération, alors insuffisante.

Des mesures effectuées sur l'air en sortie de composteur ont donné des teneurs de :

O₂ : 17 à 18 %
CO₂ : 2,5 %

3. — Humidité

L’augmentation de température provoque une évaporation plus ou moins importante. Il y a une perte due au compostage aérobie, comme le montre la mesure de l'humidité du mélange introduit et du produit sortant qui a une siccité de l’ordre de 55 à 60 %.

4. — pH

On peut noter également une élévation du pH par suite de la combustion de la sciure. Celle-ci, par son acidité (pH = 5), donne au mélange un pH compris entre 6 et 7.

5. — Rapport carbone/azote

Ce rapport est l'un des principaux critères de qualité du compost. Une norme récente prévoit pour ce

type de produit a un rapport C/N compris entre 18 et 25. Or, le mélange utilisé pour le remplissage avec 70 à 75 % de sciure (C/N = 430) et 25 à 30 % de boue (C/N = 7) a un rapport C/N nettement plus élevé (C/N = 40 à 45).

La combustion de la sciure, le recyclage du produit avec de la boue uniquement font diminuer la teneur en carbone. Il y a donc diminution du rapport C/N durant le compostage.

IV. — CARACTÉRISTIQUES DU COMPOST

A. — CARACTÉRISTIQUES PHYSIQUES

Les caractéristiques physiques du produit obtenu sont :

• — aspect de terreau ;
• — couleur brun foncé ;
• — granulométrie fine ;
• — odeur agréable ;
• — densité 0,6 ;
• — humidité 55 à 60 %.

B. — ANALYSES

1. - Analyse chimique

L’analyse chimique fait apparaître des teneurs non négligeables en éléments fertilisants (azote et phosphore) et oligo-éléments. On note par contre une légère carence en potasse due à la nature même des eaux usées et qui demande un rééquilibrage si le produit est utilisé brut de fabrication. Le pourcentage de matière organique est élevé : plus de 90 % sur produit sec.

Voici le résultat de quelques analyses récapitulées ci-dessous :

2. - Analyse bactériologique

L’analyse bactériologique montre l’efficacité du procédé qui assure dans la phase thermique l’élimination des germes pathogènes, des graines et semences contenus dans les eaux usées ; par contre, le peuplement bactérien banal est important.

3. - Métaux lourds

La teneur en métaux lourds du compost est très inférieure aux normes maximales admises. Ceci provient de la nature des effluents d’origine essentiellement urbaine et agro-alimentaire.

D’après la norme AFNOR, les teneurs des boues en certains éléments ne doivent pas, pour être commercialisées en tant que boues normalisées, dépasser les valeurs suivantes par kilogramme de matière sèche.

C. — QUALITÉS DU COMPOST

C’est un amendement organique qui peut contribuer à régénérer les sols appauvris par l’emploi d’engrais chimiques. Il est le complément organique et humique indispensable de l’engrais minéral.

Le produit est hygiénisé ; œufs de larve, germes et virus pathogènes, semences, les plus tenaces sont détruits. Il apporte une flore bactérienne banale indispensable à la vie du sol.

Il confère au sol sa perméabilité à l’air et à l’eau, le rend meuble et lui assure une réserve d’eau suffisante en cas de sécheresse ; il évite l’érosion du sol par un enracinement rapide des plantes.

1. - Utilisations

Elles sont très diverses :

• — agriculture ;
• — création et entretien d’espaces verts ;
• — arboriculture ;
• — pépinières ;
• — horticulture ;
• — viticulture ;
• — maraîchage.

Selon l’utilisation, le temps de maturation du produit est variable ; en règle générale, une maturation longue (plusieurs mois) ne peut avoir qu’un effet bénéfique.

2. - Essais culturaux

Des essais culturaux portant sur une période de 5 ans sont en cours. Ils sont réalisés par la station

régionale d’expérimentation sur les cultures légumières à Carquefou. Cette étude effectuée dans le cadre d'une convention avec l’A.N.R.E.D. (Agence nationale pour la récupération et l’élimination des déchets), a pour but de déterminer la qualité de différents composts urbains ou de boues de stations d'épuration.

La première année d’expérimentation ne fait pas ressortir de différences évidentes de rendements ou de qualité entre les composts utilisés et les témoins, notamment le fumier de bovins. Ces résultats encourageants sont confirmés par les utilisateurs actuels. La Société STREICHENBERGER assure par l'intermédiaire de son département horticole la distribution de la totalité de la fabrication. Le produit fabriqué se présente sous différentes formes :

• — à l'état brut, il est utilisé par une clientèle de professionnels : paysagistes, arboriculteurs, serristes...
• — le compost entre également dans la composition de terreaux fabriqués notamment par le département horticole STREICHENBERGER.

On aboutit alors à une gamme de produits très diversifiés distribués sur l'ensemble de la France, au niveau des grandes surfaces.

• — Une unité de mélange mise en place récemment sur le site de la station d’épuration de la Petite Californie permettra la fabrication et la distribution de produits adaptés à des cultures spécifiques, notamment pépinières et maraîchage.
• — Il n'est pas exclu à l'avenir de procéder localement à l’ensachage du produit pur ou mélangé pour répondre à une demande régionale.

V. — PRODUCTION

La station d’épuration est actuellement alimentée à 80 % de sa charge. La production annuelle est de 6 000 m³/an de compost en 1980, soit une production journalière de 25 m³.

VI. — ASPECTS ÉCONOMIQUES

A. — INVESTISSEMENTS

Le coût d'une telle installation comprenant le stockage de sciure, les trémies, le malaxeur, le composteur, les bandes transporteuses, le hangar, s'élève actuellement à un montant que l'on peut estimer de l'ordre de 4,5 MF.

B. — COÛTS D'EXPLOITATION

Le coût d'exploitation est fonction des paramètres suivants :

• — Main d’œuvre :
• • une personne pour assurer la fabrication (alimentation, extraction) et le chargement des camions.
• • une personne à mi-temps pour assurer la maintenance des installations.
• Coût annuel 1980 : 150 000 F.

• — Support carboné :
• • quantité de sciure nécessaire (1980) : 6 400 m³.
• • prix de revient (achat et transport) : 15 F/m³.
• Coût annuel : 96 000 F.

• — Énergie électrique :
• • consommation annuelle (1980) : 230 000 kW.h.
• • prix unitaire : 0,25 F/kW.h.
• Coût annuel : 57 000 F.

— Coût total annuel : arrondi à 300 000 F.

Amortissement des équipements supplémentaires : À ces coûts, il convient d'ajouter l’amortissement des équipements supplémentaires mis en place par l'exploitant pour améliorer les conditions d’exploitation et la qualité du compost.

C. — VENTE DU COMPOST

• — Production annuelle (1980) : 6 000 m³.
• — Prix de vente moyen : 75 F/m³.
• — Recette : 450 000 F.

CONCLUSION

Techniquement, le compost produit à partir de boues de stations d’épuration et de sciure est un amendement organique exempt de larves et de germes pathogènes, qui peut être utilisé soit à l'état brut, soit en mélange (composition de terreau).

Du fait de ses qualités réelles, ce compost est facilement commercialisable, tant auprès des paysagistes, maraîchers, arboriculteurs, pépiniéristes, etc., qu’auprès de la clientèle privée.

La recette apportée par la vente du compost équilibre presque les frais d'exploitation, ce qui est exceptionnel dans un procédé d’élimination des boues de station d’épuration, alors que pour les autres procédés, en plus de leur traitement, l’élimination est coûteuse. De plus, le coût d'investissement d'une telle installation est relativement bon marché en comparaison des autres procédés, et la consommation d'énergie est relativement faible.

Il est certain que le compostage proposé par la Société E.P.A.P. peut voir sa rentabilité encore améliorée. C’est la raison pour laquelle elle construit à la station d’épuration de Nantes-Nord un ensemble de compostage trois fois plus important, capable de traiter les boues primaires et les boues biologiques en excès d'une station d'épuration de 465 000 habitants.

Cette unité actuellement en cours de mise en route, ne fera que confirmer les avantages techniques et économiques de ce procédé dans un monde où le manque de matières organiques est de plus en plus sensible.