Les Centres d'Enfouissement Techniques (CET) produisent des effluents pouvant être concentrés en matières organique et minérale. Leur rejet dans le milieu naturel nécessite obligatoirement un traitement préliminaire. Etant donné les différents types de pollution présents dans les lixiviats (fraction azoté organique et inorganique, matière organique biodégradable, matières en suspension, métaux et sels minéraux), des chaînes de traitement sont élaborées pour répondre aux normes strictes de rejet. Ces traitements sont dérivés des procédés de traitement d'eaux résiduaire urbaine et industrielle. Cet article présente ces chaînes de traitement avec un comparatif de leurs performances ainsi que leurs coûts.
Problématique et enjeux
Les déchets reçus sur les Centres d’Enfouissement Techniques ou CET (déchets ménagers, déchets industriels banals, déchets industriels spéciaux non stabilisés...) peuvent transférer une partie de leur pollution au contact de l'eau.
Les eaux de pluie, lorsqu’elles s’infiltrent, se chargent en effet au contact du déchet de matières organiques et minérales. Ces percolats encore appelés lixiviats doivent être traités dans un centre de traitement (externe ou in situ), pour respecter des normes de rejet prescrites en fonction du milieu récepteur.
Les lixiviats ont ceci de particulier par rapport aux eaux résiduaires urbaines, que leur charge polluante est élevée et que leurs quantités à traiter sont modestes.
Les procédés et les filières de traitement adaptés sont donc originaux, tant dans leur conception que dans leur exploitation. Ils nécessitent un savoir-faire hybride, combinaison de spécialités issues du traitement des eaux résiduaires urbaines et industrielles, de la gestion des centres d’enfouissement et de la connaissance du déchet lui-même.
Caractérisation des lixiviats
Les caractéristiques qualitatives des lixiviats, préalable indispensable au dimensionnement des procédés de traitement, font appel aux procédures analytiques classiques du traitement d’eau.
Les paramètres représentatifs de la ou des différentes sortes de lixiviats rencontrés sur un site doivent être mis en évidence (tableau I).
Une des particularités des lixiviats est qu’ils sont constamment en évolution au cours du temps du fait des faibles vitesses de dégradation des déchets, du passage des conditions aérobies aux conditions anaérobies de stockage et des différentes étapes de l’anaérobiose. Celles-ci induisent des modifications du milieu réactionnel.
L’évolution des lixiviats est ainsi séparée en cinq étapes successives :
- Phase 1 : mise en place des déchets - remplissage des alvéoles,
- Phase 2 : capacité d’absorption saturée, passage progressif en anaérobiose, chute du potentiel redox, augmentation progressive de la charge organique,
- Phase 3 : acidogenèse, chute de pH, complexation des espèces métalliques, charge organique très élevée,
- Phase 4 : méthanogenèse, remontée progressive du pH, diminution de la charge organique, production de biogaz,
- Phase 5 : maturation finale, stabilisation de la matière organique, chute de la production de gaz.
Deux paramètres permettent de suivre l’évolution des lixiviats :
- - le rapport DBO5/DCO, qui témoigne du caractère biodégradable de la pollution carbonée, est de l’ordre de 0,5 pour les lixiviats jeunes et décroît jusqu’à 0 pour les anciens,
- - si, à la longue, la DBO5 peut atteindre des valeurs presque nulles, les valeurs de la DCO restent élevées (jusqu’à 20 g/l en moyenne).
Composition des lixiviats
Divers facteurs contribuent à l’hétérogénéité de la composition des lixiviats : la nature des déchets, les facteurs climatiques, le type du site, le mode d’exploitation, l’âge de la décharge, etc. Néanmoins, nous avons rassemblé dans le tableau II les principales caractéristiques d’un lixiviat « moyen » d’un CET de classe 2.
Le contexte réglementaire
Obligation est faite à tout gestionnaire
Tableau I
Paramètres représentatifs des lixiviats.
| PARAMÈTRES — | COMMENTAIRES |
|---|---|
| pH, Eh, oxygène dissous, MES, MVS — | Renseignements sur la composition générale des lixiviats et la forme chimique de certains composants |
| DCO, DCOs, DBO5, COT — | Évaluation de la charge oxygénée (minérale ou organique) biodégradable ou non biodégradable |
| TRC — | Teneur en carbonates |
| Conductivité, Cl^-, SO4^2-, Ca^2+, Mg^2+, K^+ — | Teneur en sels dissous (nécessaires au métabolisme des micro-organismes mais toxiques au-delà d’une certaine concentration) |
| NTK, N-NO2^-, N-NO3^-, P total, P-PO4^3- — | Paramètres intervenant dans le traitement biologique (nutriments) |
| Phénols-hydrocarbures, métaux lourds — | Composés inerteurs ou toxiques à partir de certaines concentrations |
| Acides Gras Volatils (AGV) — | Intermédiaires réactionnels de la fermentation méthanique des déchets |
Tableau II
Principales caractéristiques d’un lixiviat « moyen » de classe 2.
| Caractérisation — | Mesure — | Type de pollution |
|---|---|---|
| pH — | 6,1 — | |
| DCO — | 5 000 mg/l — | organique |
| DBO5 — | 2 500 mg/l — | |
| COT — | 1 700 mg/l — | |
| Na^+, K^+ — | 3 000 mg/l — | Pollution |
| Ca^2+, Mg^2+ — | 2 000 mg/l — | |
| Cl^-, SO4^2- — | 5 000 mg/l — | Pollution saline |
| NH4 — | 700 mg/l — | |
| P total — | — | |
| Fe^2+ — | 900 mg/l — | Pollution |
| Mn^2+ — | 25 mg/l — | due aux métaux lourds |
| Zn^2+ — | 200 mg/l — | |
| Autres métaux | ||
| Co-Ni-Cr-Pb-Mo-As-Hg — | < 10 mg/l — | |
| MES totales — | 500 mg/l — | Pollution environnementale |
| Couleur — | Noire | |
| Odeur — | Fétide |
Tableau III
Méthodologie du diagnostic.
DOSSIER ADMINISTRATIF
- • Étude d’impact des rejets sur le milieu récepteur
- • Identification des milieux récepteurs proches du CET
- • Choix du milieu récepteur et définition du niveau de rejet
- • Étude d’impact sur le milieu récepteur en fonction des objectifs de qualité
- • Négociation avec le service chargé de la Police des Eaux
- • Acceptation du niveau de rejet
PROJET : APP, DOE, AMT, CGT, RDT, DOE
DOSSIER TECHNIQUE
- • Étude de traitabilité des lixiviats du CET
- • Description du site et de son environnement. Bilan hydrique
- • Prélèvement et analyse des lixiviats
- • Caractérisation
- • Étude de l’évolution qualitative et quantitative à moyen terme. Hypothèse de dimensionnement
- • Étude de traitabilité. Essais pilotes en laboratoire ou in situ
- • APS et simulation financière
Tableau IV
Points forts et points faibles pour chaque famille de traitement.
| PROCÉDÉ — | POINTS FORTS — | POINTS FAIBLES |
|---|---|---|
| Lagunage aéré — | DBO5 — | Encombrement |
| Boues activées + clarificateur — | DBO5, NTK — | DCO, métaux lourds et sels |
| Traitement biologique par cultures fixées — | DBO5, encombrement réduit, NTK — | Consommation en électricité |
| Micro- et ultrafiltration — | MES, bactéries et virus — | Azote, métaux lourds, sels |
| Bio-réacteur & membranes — | DBO5, azote, MES, DCO, bactéries et virus. Encombrement réduit — | |
| Osmose inverse — | DCO, métaux lourds et sels — | Préfiltration. Production de saumure |
| Coagulation-floculation — | Débit de traitement, encombrement réduit, métaux lourds — | Production de boues. Traitement partiel de la DCO (50 % max.) |
| Filtration sur charbon actif — | DCO — | Régénération et élimination du charbon pollué, azote, métaux lourds, sels |
| Ozonation (+ H2O2 ou U.V.) — | DCO — | Consommation énergétique, azote, métaux lourds, sels |
| Évaporation à chaud — | Utilisation du biogaz de décharge — | Dissipation partielle à l’atmosphère. Variabilité de la source de méthane |
| Incorporation au process d’inertage — | Pas de rejet extérieur. Traitement final sur lixiviat prétraité et sur rétentat — | Teneur en matières organiques peut être préjudiciable |
Dans le cas de rejets au milieu naturel, les normes tendent à une sévérité accrue.
Les enjeux
Les enjeux pour les gestionnaires de centres d’enfouissement techniques sont évidents : la maîtrise du traitement des lixiviats est l’assurance d’une exploitation de qualité, respectant les obligations réglementaires. Il est donc nécessaire de porter les efforts sur :
- • la connaissance des spécificités du site (audit),
- • de CET de maîtriser les risques et nuisances liés à la production de lixiviats à travers des textes existants ou à venir.
Outre les directives européennes, on trouve des articles spécifiques dans l’Instruction technique du 11 mars 1987, relative à la mise en décharge contrôlée dite de classe 2 ou centre d’enfouissement technique de résidus urbains dans les articles 12 à 15.
Ces articles sont repris et complétés dans l’avant-projet d’arrêté ministériel sur le CET de classe 2 (version de mai 1995) dans le chapitre VI « Suivi des rejets » (articles 44 à 49).
En tout état de cause, les contraintes liées au milieu récepteur local sont prises en compte par les services départementaux de l’Administration.
De l’ensemble de ces textes se dégagent les éléments suivants :
- • les traitements interdits de lixiviats sont : la dilution et l’épandage ;
- • les rejets dans le milieu naturel ou le traitement à l’extérieur du site doivent atteindre des seuils de qualité indiqués dans l’arrêté préfectoral d’exploitation.
- la mise en place d’installations de traitement de lixiviats efficaces, contrôlables (monitoring) et de maintenance aisée.
Méthodologie de diagnostic
La mise en place d’un traitement sur un CET dépend du contenu de l’autorisation administrative de rejet. Cette autorisation est généralement liée à la présentation d’une étude d’impact du rejet sur le milieu naturel. La méthodologie employée est définie dans le tableau III. Cette démarche conduit à la négociation d’une norme de rejet compatible avec le milieu récepteur et avec l'économie du projet.
Les outils développés dans ce paragraphe concernent avant tout le CET qui, de par sa nature, est un bioréacteur difficilement modélisable. Différentes techniques d’évaluation du volume de lixiviats ont été mises au point, tenant compte non seulement de l’historique « déchets » (nature et quantité reçues par an) mais aussi de l’environnement (étanchéité de la couverture et de la périphérie, matériaux sur site).
Les mesures théoriques : le bilan hydrique
Un logiciel permet de calculer le bilan hydrique du site. Le bilan hydrique est la « balance comptable » des entrées et sorties d’eau sur une surface limitée et pendant une durée moyenne précise. Ce bilan, effectué au niveau du centre d’enfouissement, permet d’évaluer le volume d’eau de pluie infiltrée dans les alvéoles au cours de leur exploitation, collecté par les dispositifs de drainage et qu'il faudra traiter.
Les paramètres utilisés pour ces calculs sont les données météorologiques (précipitations, ensoleillement, température, etc.), la nature et le volume des déchets reçus, la géométrie des casiers d’exploitation, les phénomènes d’évaporation, la teneur initiale en eau des déchets, etc.
Ce logiciel permet d’obtenir une bonne estimation du volume annuel de lixiviats produits dans un CET.
Les mesures in situ
Dans le cas de CET déjà existant, tout un panel de techniques est disponible pour établir un diagnostic précis de la quantité et de la qualité de lixiviats produits : mesures de hauteur d’eau, installation de débitmètre(s), analyseurs en continu, modélisation de la corrélation pluviométrie / production de lixiviats.
Ces analyses en laboratoires peuvent être complétées par des pilotes de laboratoires sur le site même.
Les solutions
Choix des techniques
Les techniques peuvent exiger un investissement important, qui mérite une étude préalable. Les installations doivent être performantes et de maintenance aisée. Les techniques de traitement sont généralement classées en groupes adaptés au traitement de tel ou tel composant de la pollution. Il existe quatre groupes majeurs de procédés :
- les traitements biologiques (DBO5 et azote),
- les traitements physico-chimiques (DCO),
- les traitements membranaires (DCO, sels, couleur, …),
- les traitements de finition (évaporation, déshydratation, distillation, incinération, etc.).
C’est leur combinaison en filière qui permet d’atteindre les objectifs les plus élevés. Ainsi, le tableau IV résume les points forts et les points faibles de chaque famille de traitement (chacune se situant dans un groupe), sur un plan strictement technique.
Lagunage aéré
Ce procédé consiste à installer un système d’aération, généralement une turbine flottante à fonctionnement intermittent, dans un bassin (béton ou étanché par membrane). Cette aération entretient une faune bactérienne aérobie qui abaisse la DBO5 et, dans une moindre mesure, la DCO, et nitrifie partiellement le lixiviat (NH3 vers NO3). Ces systèmes permettent, sous réserve d’étudier au préalable la tolérance du milieu naturel, d’atteindre les normes de rejet en azote (NTK).
Le traitement est de longue durée (60 à 90 jours) et implique des capacités installées de plusieurs centaines, voire milliers, de m³ en fonction des débits à traiter. Par ailleurs, les boues doivent être renouvelées périodiquement.
Boues activées
Les procédés par boues activées comportent essentiellement une phase de mise en contact de l’eau à épurer avec une faune bactérienne en présence d’oxygène (aération) suivie par une phase de séparation de cette biomasse (clarification). L’aérateur assure les deux fonctions d’aération et de brassage ; les agitateurs sont réservés pour la zone d’anoxie (déficit en oxygène).
Une station de traitement par boues
activées est constituée dans tous lescas :
• d’un bassin dit d’aération dans lequelle lixiviat à traiter est mis en contactavec la biomasse,
• d’un dispositif d’aération,
• d’un clarificateur dans lequel s’effectuela séparation du lixiviat biologiquementtraité et de la culture bactérienne,
• d’un dispositif de recirculation desboues biologiques du clarificateur versle bassin d’aération,
• d’un dispositif d’extraction des bouesen excès sous le clarificateur.
Traitement biologique sur cultures fixées
Les lits bactériens sont des dispositifscomprenant un support de contact surlequel se développe la culture bactérienne (film biologique). Ce matériausupport est immergé alternativementdans l’eau à épurer (disques biologiques) ou arrosé de celle-ci.
L’apport en oxygène est assuré par lamise en contact du film biologiqueavec l’air atmosphérique ou le plus généralement par ventilation naturelle oupar ventilation forcée.
Coagulation-floculation
Les traitements par coagulation-floculation comprennent trois phases : latransformation des colloïdes en particules solides (ou coagulation, par selsde fer ou d’aluminium), l’aggloméra
tion des particules et M.E.S. (ou floculation, par polymères), et l’éliminationdes flocs (ou décantation, dans undécanteur lamellaire ou plus efficacement par flottateur). Le système fonctionne avec une régulation sur lesajouts de réactifs.
Ce traitement permet un abaissementmaximal de la DCO de 40 à 50 %, maisaugmente la concentration dans l’eautraitée en chlorures, fer, ou aluminium,selon le sel utilisé pour la coagulation.Il est par ailleurs producteur de boues(20 % de volume traité environ), etgénère une coloration sensible (chlorure ferrique).
Bio-réacteur à membranes
Appliqué au traitement des lixiviats, lebioréacteur à membrane (BRM) estune technique de pointe qui associeétroitement un réacteur biologique àdes membranes de microfiltration oud’ultrafiltration. Les membranes ont unrôle de barrière physique absolu etremplacent le clarificateur dans la chaînede traitement classique.
Les points forts du BRM sont les suivants :
• dissociation et gestion parfaite dutemps de séjour hydraulique et del’âge de boue,
• possibilité de travailler avec desconcentrations importantes en biomasse dans le bioréacteur assurant desrendements accrus et une compacitédes ouvrages,
• haut niveau d’automatisation assurant une fiabilité et une facilité de fonctionnement,
• qualité de l’eau traitée (perméat)constante quelles que soient les variations de la ressource.
Osmose inverse
Largement utilisée pour la désalinisation de l’eau de mer, la technique del’osmose inverse prend naturellementsa place dans le traitement des lixiviats.Ce procédé peut être placé après untraitement type BRM pour satisfaireà des normes sévères de qualité d’eautraitée.
L’osmose inverse ou hyperfiltration,permet la rétention de petites molécules organiques, minérales ainsi quela plupart des sels. Les pressions appliquées pour cette filtration sont del’ordre de 30 à 80 bars, selon laconcentration en sels de l’effluent.
Un traitement final doit être appliquéau concentrat (de 10 à 30 % en volume,selon la pression et la teneur en sels),par voie physico-chimique, incinération, ou incorporation à un procédéd’inertage.
Filtration sur charbon actif
Ce procédé est basé sur l’adsorptionpar le grain de charbon actif de la pollution organique. Il n’a d’action ni surl’azote minéral, ni sur les métauxlourds, ni sur les sels. La décolorationsur l’effluent traité est bonne, mais le
Tableau VII
Coût en fonction des chaînes de traitement.
(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8)
| paramètres | lagunage aéré | culture fixée | boues activées | (3) et physico-chimique | (4) et charbon actif | (3) et ozonation | bioréacteur à membrane | (7) et osmose inverse |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| coût d’investissement | F | FF | F | FF | FF | FFF | FF | FFF |
| coût de fonctionnement | F | F | F | FF | FFF | FFF | FF | FFF |
F : peu élevé FF : moyennement élevé FFF : très élevé
système produit de fortes quantités de charbon pollué, qui doit, selon les cas, être régénéré en usine, ou incinéré.
Ozonation (et peroxyde d’hydrogène ou UV en complément)
Ce traitement, par passage du lixiviat dans un milieu fortement oxydant – riche en ozone – (éventuellement complété par le peroxyde d’hydrogène, H₂O₂ et/ou les rayons ultra-violets pour augmenter l’efficacité par production de radicaux libres OH), permet l’élimination quasi-totale de la pollution organique (DCO). L’effluent est ainsi rendu incolore. En revanche, l’azote minéral, les métaux lourds et les sels ne sont pas éliminés.
L’exploitation de ce type d’installation réclame une forte technicité : le taux d’oxydant (ozone) et le temps de traitement doivent s’adapter en temps réel aux fortes variations de concentrations. Ce type d’installation est donc dimensionné en fonction de la charge la plus élevée pour pouvoir s’adapter à des variations quantitatives et qualitatives des effluents à traiter, au risque de surévaluer les investissements.
Evaporation à chaud
Il existe plusieurs procédés visant à évaporer les lixiviats par chauffage dont l’objectif est la concentration avec rejet d’une phase liquide et d’une phase gazeuse.
- Une première famille fonctionne par micronisation du lixiviat à l’intérieur d’une flamme suivie d’une séparation par cyclone et d’une filtration. Il est extrêmement délicat de contrôler la qualité des rejets gazeux et le procédé nécessite une haute technicité d’exploitation de par la variabilité des conditions d’évaporation.
- Une seconde famille fonctionne par évaporation sous vide avec post-condensation des vapeurs et récupération des distillats.
Ces deux procédés sont très bien adaptés à un traitement final de concentrats (récupération d’une boue), tout en évitant la problématique des rejets gazeux pour lesquels les normes d’incinération de déchets industriels peuvent être retenues.
La conception de la chaîne de traitement
Le traitement d’un lixiviat de CET (Classe 1 et Classe 2) peut être décomposé en quatre sous-traitements, chacun ayant un rôle bien spécifique vis-à-vis des composants à éliminer (tableau V).
Il est intéressant de noter que cette classification permet le classement univoque de la plupart des procédés existants. Dans ces conditions, une filière permettant le rejet dans le milieu naturel est généralement un ensemble alliant jusqu’à quatre procédés.
Les quatre phases identifiées ci-dessus permettent le classement des procédés dans le tableau VI. La filière de traitement est un ensemble reprenant jusqu’à un procédé à chaque niveau. Ces procédés sont associés, selon la qualité du lixiviat, pour respecter les normes de rejet.
BRM : bioréacteur à membranes OIBP : osmose inverse basse pression OIHP : osmose inverse haute pression Déshyd : déshydratation
Coûts des différentes chaînes de traitement
Comme nous venons de le voir, les différentes chaînes de traitement à mettre en œuvre sont fonction de la qualité du lixiviat brut ainsi que des contraintes de rejet. De plus, les coûts d’investissement et de fonctionnement dépendent du débit de traitement qui varie en général de 5 à 100 m³/j.
Le tableau VII permet de comparer les coûts des différentes chaînes de traitement utilisées actuellement.
