Le séchage des boues de stations d'épuration urbaines sur lits plantés de roseaux s'est largement développé au cours des dernières années en France. Le procédé, constitué d'un bassin étanche, drainé et passivement aéré, dans lequel des Phragmites sont plantés sur un massif de sable et graviers, nécessite peu de maintenance et d'exploitation. Les végétaux, de par leur morphologie et leur physiologie, favorisent le séchage et la minéralisation des boues. Bien adapté aux petites stations à boues d'aération prolongée, il permet leur stockage pendant 5 à 10 ans. Des essais préliminaires réalisés au SIAAP et le retour d'expérience de stations Allemandes montrent en revanche que les végétaux supportent mal les boues digérées anaérobies. La construction de massifs à des fins expérimentales est d'ores et déjà engagée sur le site d'Achères. Ces bassins accueilleront des boues digérées et des boues de déphosphatation tertiaire.
Les exploitants de stations d’épuration sont, au sens du décret n° 97-1133 du 10 décembre 1997, des producteurs de boues et sont donc responsables de leur élimination. Mais ces résidus, produits au cours du traitement de l'eau, ne sont pas raisonnablement « éliminables » ni valorisables en l'état, car trop riches en matière organique et/ou en eau et/ou contenant trop d'agents pathogènes, et doivent subir une ou plusieurs étapes qui vont modifier leurs caractéristiques physico-chimiques et biologiques (épaississement, déshydratation, séchage, conditionnement thermique, compostage...).
Le procédé de séchage des boues sur lits plantés d’hélophytes présente une alternative intéressante aux procédés de traitement des boues existants sur les stations d’épuration d’eaux usées de faible capacité. Procédé naturel et écologique qui nécessite peu d'exploitation et de maintenance, il s'avère bien adapté pour des petites collectivités traitant des boues d’aération prolongée. Ces installations permettent de stocker la boue pendant cinq à dix ans, d’obtenir des siccités proches de 15 à 20 % et d’avoir une qualité finale de boue « valorisable ».
Dans le but de diversifier les filières de traitement de ses boues, dont les volumes augmentent avec les exigences environnementales et réglementaires, le SIAAP (Syndicat
Interdépartemental pour l’Assainissement de l’Agglomération Parisienne) s’intéresse à ce procédé. Après avoir fait un état des lieux de l’existant, il envisage des essais expérimentaux sur ses boues issues de la digestion anaérobie et de la déphosphatation physico-chimique tertiaire.
État de l’art sur le procédé
De l’idée d’origine à nos jours…
La première mention connue de la technique d’épuration par les hélophytes (plante aquatique fixée, en partie émergée, poussant généralement sur les rives) date de 1874 où le Docteur Gérardin en appliquait les rudiments sur des effluents d’amidonnerie dans la vallée du Croult. En revanche, la plus ancienne station connue de traitement des eaux par ce procédé date de 1911 et se trouve en Allemagne à Hasenwinkel. Mais il fallut attendre 1950 pour que Käte Seidel crée le concept tel qu’il est actuellement appliqué. Par la suite, le Professeur Kiekuth, collaborateur de Seidel, reprend la technique et forme des étudiants qui propagent leurs technologies et leurs procédés.
En France, cette technique n’a commencé à attirer l’attention qu’en 1990. Le CEMAGREF (Centre d’Étude du Machinisme Agricole, du Génie Rural et des Eaux et Forêts) associé à la SAUR a mis en place un site expérimental à Bourg-Argental entre 1990 et 1992. Les essais débouchent en 1994 sur la commercialisation d’un nouveau procédé de traitement des boues d’épuration. Quelques sites s’équipent de lits de séchage plantés de roseaux entre 1994 et 1997, mais ce n’est qu’à partir de 1998 que le procédé sera plus largement diffusé en France. Actuellement, on ne recense pas moins de 8 constructeurs ayant déposé leur propre procédé.
Le principe
Le procédé de séchage des boues urbaines sur lits plantés d’hélophytes allie la technologie des lits de séchage associée aux avantages apportés par ce type de végétaux. Un bassin enterré ou surélevé est rendu étanche, soit par construction bétonnée, soit par ajout d’une membrane géotextile. Le matériau filtrant composé de couches de sable et/ou gravillons de granulométrie définie repose sur un plancher drainant relié à l’atmosphère par un système de cheminées. Ce système permet une aération passive à l’intérieur du massif filtrant. Les végétaux sont plantés en surface.
La boue admise sur le bassin se répartit sur la totalité de la surface jusqu’à former une lame homogène. L’eau s’infiltre en flux piston et les particules solides s’accumulent à la surface du massif.
L'ensemble des drains est renvoyé en tête de station. Cette séparation est favorisée par la présence des végétaux qui exercent un effet mécanique, physique et chimique. L’alimentation est séquentielle. Plusieurs bassins doivent être conçus pour effectuer des rotations et permettre ainsi d’aménager des périodes de repos bien nécessaires. Après une période terminale d’arrêt, la boue est évacuée. Les résidus cellulosiques provenant des hélophytes sont incorporés à la « boue », contribuant à modifier sa structure et constituant un apport de matière organique. Le produit final est alors stabilisé, en partie hygiénisé et suffisamment solide pour être évacué.
Des végétaux aux mécanismes en jeu
Des plantes adaptées au procédé
Les hélophytes, tels que le roseau commun (Phragmites communis), quelquefois utilisés en traitement d’eaux usées, développent des appareils végétatifs ou reproducteurs totalement aériens et gardent un appareil racinaire souterrain dont le terrain de prédilection est un substrat vaseux gorgé d'eau. Leur habitat naturel est fréquemment constitué de zones marécageuses inondées en permanence ou temporairement, constituant des sols relativement anaérobies, riches en composés soufrés. Ces végétaux sont donc bien adaptés à certaines conditions environnementales difficiles, ce qui représente incontestablement un avantage pour le contact avec des boues de STEP. Leur système racinaire très dense, constamment en expansion (même en hiver), est composé de rhizomes (tiges souterraines) segmentés par des nœuds à partir desquels se développent de nouvelles tiges entre avril et octobre sous notre climat. Les rejets racinaires donnent de nombreuses tiges naissantes, conférant à ceux-ci un pouvoir colonisateur important.
Des racines, de l’oxygène, et des micro-organismes
La physiologie des Phragmites permet d’expliquer le fait que les racines puissent survivre en milieu anaérobie. L’aérenchyme, tissu particulier qui assure le transport de l’oxygène depuis la tige jusqu’aux racines, permet la création d’un environnement aérobie à proximité des racines. L’oxygène, excrété à l’apex des radicelles (Armstrong et al., 1990 ; Brix et al., 1990), provoque l’oxydation des substrats nutritifs environnants, oxydation nécessaire à leur absorption par la plante. La capacité de relargage est estimée de 5 à 40 g O₂/m²/jour selon Kickuth (1988), valeur que nous n’avons pas vérifiée. L’environnement immédiat pour les racines est donc aérobie, ce qui permet une détoxication locale et une minéralisation de la boue. Tregaro (1999), dans son étude, estime que la quantité maximale de boue minéralisable est d’environ 10 kg/m²/an pour des boues dont la teneur initiale en matière organique est comprise entre 60 et 75 %.
En outre, l’oxygène favorise le développement d'une activité bactérienne (Esser D. et Lienard A.). Les tiges immergées dans l'eau vont servir de support de croissance pour un biofilm ayant un rôle épurateur. Ce biofilm, mélange de bactéries et d’algues épiphytes (diatomées) qui produisent de l’oxygène par photosynthèse et assimilent la pollution minérale (NH₄⁺ et PO₄³⁻), a la consistance d'un gel visqueux. Ce gel va permettre la capture des fines particules de l’eau et des molécules organiques qui vont s’adsorber sur celui-ci et, par conséquent, épurer en partie l’eau interstitielle. Comme le biofilm n’est pas enlevé mais reste le temps de vie de la tige, les micro-organismes de grande taille (ayant des temps de reproduction relativement longs), tels que vers, insectes, métazoaires, peuvent se multiplier. Ces organismes prédateurs vont réguler la croissance du biofilm. Il n’y a pas de production de boue.
Néanmoins, dans un milieu très fortement chargé en matière organique fermentescible, les roseaux ne sauraient, par eux-mêmes, maintenir une présence suffisante d’oxygène pour éviter l’installation de conditions anaérobies (Lienard A., 2001) nocives pour le développement racinaire donc pour la pérennité du processus de ressuyage. Les constructeurs du procédé préconisent l’installation d’un système de ventilation pour éviter la mise en place de conditions anaérobies au sein de la couche de boues. Il n'y a, à l'heure actuelle, pas de références de test concernant l’efficacité du système d’aération.
Enfin, le système racinaire, servant de support aux micro-organismes, excrète des exsudats (acide cinnamique, acide benzoïque) qui contribuent à l’élimination des pathogènes contenus dans les eaux usées et à la régularisation de la biomasse bactérienne (Dishly, 1993). La biomasse des roseaux constitue une source de lignine et d’autres composés carbonés contenant des molécules aromatiques phénoliques favorables à la stabilisation biologique des boues. Ceux-ci jouent un rôle important dans l’édification des composés humiques insolubles, dont ils constituent en quelque sorte l’ossature autour de laquelle s’organise l’ensemble de la molécule humique (Duchaufour, 1983). Selon Kickuth (1989), les excrétas racinaires des roseaux favoriseraient également une floculation et une poly-
Minéralisation des acides organiques colloïdaux.
Une action mécanique et un métabolisme favorables à la déshydratation
De par leur structure, les Phragmites vont avoir un effet mécanique au niveau du procédé. Les nouvelles tiges émergentes des nœuds vont percer régulièrement, en saison estivale, la couche de boues accumulées. Ces tiges, reliées au réseau racinaire, créent un continuum entre la surface qui reçoit séquentiellement les boues et la couche drainante qui évacue les percolats. Les rhizomes et les tiges contribuent ainsi à améliorer la perméabilité de la couche de boue. Le développement dense des roseaux constitue donc un important réseau de ressuyage de l'eau interstitielle. Enfin, pendant la période estivale, le vent, par action sur les tiges, va créer de véritables passages au niveau de la boue, contribuant à augmenter la perméabilité de celle-ci. Dès lors, les roseaux, limitant la formation de la couche colmatante et préservant la filtrabilité des boues, vont permettre des apports de couches successives. Ici, la reprise très fréquente des boues, poste le plus contraignant de l’exploitation des lits de séchage, n'est plus nécessaire.
Les roseaux développent un large appareil aérien durant la période végétative. Une partie de l'eau, pompée au niveau des racines, va être évacuée au niveau des feuilles par transpiration. Le phénomène d’évapotranspiration, estimé à 8 L/m²/j (Agence de l'Eau Seine-Normandie, Mathieu Rivière) en période végétative, est important chez les Phragmites. Il contribue fortement à l’augmentation de siccité des boues mais dépend de la charge spécifique utilisée pour dimensionner les lits, de la concentration des boues d’alimentation et de la siccité moyenne des boues du lit.
Une épuration partielle de l'eau
Selon l'étude conjointement menée par le Cemagref et la SAUR sur le site de Bourg-Argental entre 1990 et 1992 (Lienard A., 2001), les percolats récupérés sont de bonne qualité. Sur ce site, les lits de séchage plantés de Phragmites australis acceptaient des boues d’aération prolongée à 2,8 g/L en moyenne sur les deux ans. En sortie, la concentration en MES n’était plus que de 28 mg/L, soit 1 000 fois moindre que l’entrée et inférieure à celle obtenue par les systèmes de déshydratation mécanique (300 à 700 mg/L). L’azote ammoniacal, provenant de l'alimentation et de la minéralisation de la boue, est en majeure partie nitrifié si les temps de repos entre les apports sont suffisants. Cette étude a montré que les retours en tête ne représentaient pas plus de 10 % des charges d’azote traitées et 6 % de la charge de phosphore. Enfin, après passage dans la couche drainante bien aérée, les percolats ne sont pas septiques et donc moins susceptibles de déclencher ou d’activer un foisonnement filamenteux de la boue dans la station.
De la conception à l’exploitation des lits
Conception des bassins
La forme préconisée des lits est rectangulaire, même si cela ne semble pas avoir une importance flagrante. Néanmoins cette forme confère une meilleure accessibilité aux engins lors de la vidange. Leur surface moyenne tourne autour de 100 m² environ pour une hauteur utile de remplissage d’1,5 m. Il semble préférable de multiplier les points d’alimentation en boue si la surface est importante. Le Cemagref préconise d’ailleurs un point d’alimentation pour 20 m². De même, un système de déflecteurs s’avère utile pour assurer une répartition homogène sur toute la surface.
Structure des bassins
La structure interne des lits est idéalement constituée, de la surface vers le fond, comme suit :
- - une couche de sable grossier (4 à 8 mm) sur une dizaine de centimètres ;
- - une couche de graviers (3 à 6 mm) sur 30 cm ;
- - une géogrille retenant ces matériaux,
- une couche de galets (20 à 40 mm) recouvrant les drains,
- un plancher drainant (drains de 100 mm) avec une pente de 0,5 %.
Ces matériaux doivent être propres et de préférence roulés. Le plancher drainant est relié à l’atmosphère pour permettre une circulation de l'air à l’intérieur du massif. Le Cemagref préconise une cheminée d’aération (de 200 mm de diamètre) pour 20 m². Les évacuations des percolats doivent être suffisamment nombreuses pour éviter la présence d'eau stagnante.
Le dimensionnement : un paramètre clé
Le dimensionnement de l’installation varie selon les constructeurs, donc les procédés considérés. Néanmoins, le Cemagref préconise une charge nominale de 50 kg de MS/m²/an pour des boues d’aération prolongée. Cette charge est bien sûr déterminée en conditions limitantes, c’est-à-dire pendant la période hivernale. Une étude menée au sein de l'Agence de l’Eau Seine-Normandie (Tregaro A., 1999) montre une charge moyenne appliquée sur les installations de la SAUR de 74 kg MS/m²/an, soit environ 4,75 EH/m². Pour des boues de digestion anaérobies, les charges appliquées devraient être inférieures. Les apports durant les deux premières années suivant la plantation sont globalement divisés par deux. La densité minimale de plants conseillée est de 4 pieds/m². La période de plantation recommandée se situe en avril ou mai (avant la période végétative) pour que les roseaux puissent se développer et être suffisamment robustes avant de recevoir les boues. Il est fortement déconseillé de planter en hiver (Lienard A., 1999).
Une exploitation relativement aisée
La phase initiale d’alimentation est cruciale. Les constructeurs proposent des modes opératoires différents. Dans tous les cas, il faut prévenir les plants d’une dessiccation trop rapide. Pour ça, certains préconisent une alimentation initiale des lits avec un voile de boues d’environ 1 cm (SAUR), suivie d’une alimentation en eau pendant 8 mois. D'autres vont procéder de manière séquentielle en alternant phases d’inondation (2 jours) et d’exondation (3 jours), pendant quelques mois (REEB). Le Cemagref, quant à lui, préconise des apports globalement divisés par deux les deux premières années (Lienard A., 1999). En tout état de cause, l'humidité des lits doit être maintenue pour assurer la reprise des macrophytes et le plein régime ne doit être atteint que lorsque les roseaux sont au maximum de leur vigueur.
L’alimentation de plein régime doit aussi être séquentielle. Les phases d’alimentation doivent alterner avec les phases de repos favorables à l’égouttage de la boue, la déshydratation liée à l'ensoleillement et une aération en profondeur du lit. Le repos minimum préconisé est de 10 jours environ pour une hauteur d’eau appliquée de 5 à 10 cm/jour. Les alimentations s’effectuent généralement sur deux ou trois jours, deux à quatre fois par jour.
La vidange s'effectue lorsque le lit est plein. La périodicité dépend de la charge admise et de la hauteur du lit. En moyenne, dans la configuration décrite ci-dessus, la vidange s’effectue tous les cinq ans.
Conclusion
Le séchage des boues de stations d’épuration des eaux résiduaires urbaines sur lits plantés de roseaux est en plein développement dans notre pays.
Procédé simple et naturel, il ne produit pas de nuisances olfactives et présente une facilité d’exploitation. À la technologie des lits de séchage, s’ajoute une action physique, chimique et biologique de la part des végétaux, action favorisant la déshydratation et la minéralisation de la boue. Nécessitant peu de maintenance, les coûts de fonctionnement sont faibles, même si les coûts de construction et de vidange sont eux relativement élevés.
Ce procédé constitue donc une voie de traitement des boues d’aération prolongée intéressante pour de petites stations, d’autant plus qu'il permet leur stockage pour une durée de 5 à 10 ans si les bassins sont correctement dimensionnés. Néanmoins, la boue stockée reste à évacuer, nous manquons de recul sur cette phase et sur leur devenir. Dans ces conditions, l'avenir semble donc tout tracé pour les boues d’aération prolongée...
Le SIAAP d’Achères, qui produit au niveau de l’usine environ 400 tonnes de matières sèches par jour, envisage la possibilité de construire des massifs plantés de roseaux pour les alimenter avec ses boues issues d’une digestion anaérobie et/ou ses boues de déphosphatation chimique tertiaire. Les propriétés de ces dernières sont différentes de celles des boues communément admises. Des études expérimentales ont déjà débuté afin de tester la faisabilité du procédé sur ce type de résidu. Les premiers résultats montrent que la boue digérée ne constitue pas un milieu favorable pour nos végétaux. Si, à court terme, nous n’avons pas montré d’effet létal sur des racines immergées dans de la boue digérée, l’inhibition de la germination et de la croissance des jeunes pousses a été clairement établie, surtout en absence d’oxygène.
En Allemagne, la station d’épuration de Wattlingen possède des bassins à Phragmites. Au bout de deux ans d’alimentation en boue de digestion anaérobie, la majorité des végétaux étaient morts, les autres de petite taille. Ce massif est à l'heure actuelle alimenté par un mélange de boue digérée et de boue d’aération prolongée. Roseaux et boues digérées ne font donc pas bon ménage...
