Le traitement de l'eau génère des sous-produits, dont les boues sont, de loin, le plus important. Tant qu'ils ne leur ont pas trouvé une destination acceptable pour l'environnement, les concepteurs de stations et les exploitants ne peuvent aujourd'hui considérer leur tâche comme achevée. Le durcissement de la réglementation européenne dans le domaine de l'environnement impose aux industriels de l'eau d'optimiser leurs principaux débouchés, à savoir la mise en décharge, l'incinération et l'épandage agricole. Travaillant sur ce problème depuis de longues années, nous présentons les principaux éléments permettant de traiter chaque situation de façon adéquate.
Le traitement des eaux fait largement appel aux procédés de séparation liquide-solide. On les trouve en service dans les stations, directement sur l'eau à traiter, avec la décantation primaire, après les réactions de précipitation (comme la floculation ou la décarbonatation à la chaux) et au niveau des procédés utilisés pour extraire la biomasse excédentaire produite lors des traitements biologiques.
Les “boues” sont formées par les résidus produits lors de chacune de ces étapes de séparation. Nous ne prendrons pas en compte ici les déchets de prétraitement, comme les refus de dégrillage, les sables ou les graisses, traités à part.
Le renforcement des normes de rejet des eaux résiduaires et l’augmentation du taux de raccordement aux stations conduisent à un accroissement des quantités de boues produites. Sur la décennie 1992-2002 on prévoit ainsi un doublement du tonnage annuel de matières sèches à traiter, aussi bien en France que sur l’ensemble de l’Union Européenne.
Les restrictions imposées par les Pouvoirs Publics à l’utilisation des voies traditionnelles d’évacuation (mise en décharge, utilisation agricole, incinération), et les augmentations de coût qui en découlent, font que le devenir des boues devient l’un des points cruciaux de la conception et de la gestion des stations d’épuration. C’est pourquoi les projets de station doivent désormais intégrer la “problématique boue” le plus en amont possible, ce qui nécessite de bien connaître les boues à traiter et les contraintes des destinations possibles avant de choisir la filière de traitement optimale.
Les boues à traiter
La quantité de boue produite dépend évidemment de la nature de l’eau à traiter et du traitement qu’on lui fait subir. Ainsi, une filière de traitement d’eaux résiduaires urbaines, regroupant une décantation primaire, un traitement par boues activées et une déphosphatation tertiaire, produit chaque jour 95 g de boue (en matière sèche) par équivalent habitant (EH). Cette quantité peut être abaissée à 70 g/EH si la filière de traitement est complétée par une digestion anaérobie des boues.
En ce qui concerne les eaux potables ou industrielles d’appoint, les quantités de boues sont liées à la teneur de la ressource en matières en suspension, aussi les quantités extraites sont-elles très fluctuantes.
Quant à la quantité de boues générées par le traitement des eaux résiduaires industrielles, elle dépend non seulement du procédé de traitement de l’eau, mais aussi du secteur industriel en cause et des techniques de fabrication en service dans l’usine. À titre d’exemple, dans l’industrie de la pâte à papier, une pâte mécanique produit 15 à 25 kg de boues par tonne de pâte produite, alors qu’une pâte bisulfite blanchie en génère de 40 à 70 kg...
Caractériser et classer les boues
Différents paramètres permettent de caractériser les boues.
La concentration en matières sèches, qui est le plus connu, s’exprime en grammes par litre pour les boues liquides ou en siccité (pourcentage en poids) pour les boues solides. Il est important de connaître la composition de la matière sèche, notamment sa teneur en matières volatiles, assez proche de la teneur en matière organique, et la teneur en éléments minéraux (métaux lourds, calcium, fer par exemple). La composition élémentaire pondérale de la matière organique, c’est-à-dire la teneur en car-
bone, hydrogène, oxygène, azote et phosphore, sera également utile en cas d'incinération.
La composition de l’eau interstitielle doit également être connue, notamment la salinité, les matières organiques dissoutes, représentées par la DCO, le pH. Le spécialiste s'intéressera aussi au comportement rhéologique (viscosité, thixotropie éventuelle), ainsi qu’aux liaisons existant entre l’eau et les matières en suspension. La proportion d’eau libre et d’eau liée est, en effet, un paramètre utile puisqu’il joue sur l’hydrophilie.
Enfin, quelques caractéristiques, comme la compressibilité, la siccité limite, la résistance spécifique à la filtration, doivent être déterminées expérimentalement... Elles permettent d’évaluer l’aptitude de la boue à subir les différents traitements d’épaississement et de déshydratation.
Les spécialistes de Degrémont ont ainsi répertorié plus de 200 types de boues qui peuvent être regroupés en six classes :
- • les boues organiques hydrophiles, difficiles à déshydrater ;
- • les boues minérales hydrophiles, également difficiles à déshydrater et peu intéressantes pour la valorisation agricole ou l’incinération ;
- • les boues huileuses hydrophiles ;
- • les boues huileuses hydrophobes ;
- • les boues minérales hydrophobes, en général faciles à déshydrater, mais peu répandues ;
- • les boues fibreuses, généralement faciles à traiter.
L’appartenance à telle ou telle classe est un critère essentiel pour choisir la destination finale.
Choisir la destination finale
Si l’on excepte quelques valorisations spécifiques à certains types de boues essentiellement industrielles, il n’existe aujourd’hui que trois véritables destinations : la valorisation agricole, la mise en décharge sous forme de boue et l’incinération (figure 1).
Les estimations faites entre 1988 et 1992 portant sur les boues de l’assainissement urbain, pour l’ensemble de la France, montrent une forte augmentation des volumes dirigés vers la valorisation agricole, dont la part passe de 40 à 55 %, au détriment de la mise en décharge, qui a chuté de 40 à 25 %. L’incinération reste stable aux alentours de 20 %. Il s’agit là d’une moyenne nationale qui recouvre des situations très variées selon les régions.
Chaque destination fait l’objet de réglementations spécifiques, nationale et européenne, qui sont toutes en cours de renforcement. En France, la loi du 15 juillet 1975 relative à la récupération et à l’élimination des déchets précise que « l’élimination des déchets doit être assurée... dans des conditions propres à faciliter la récupération des matériaux, éléments ou formes d’énergie réutilisables ». La loi du 30 juin 1992 confirme pleinement cette orientation.
Au niveau européen, la directive-cadre sur les déchets donne également priorité à la récupération, au recyclage et à la valorisation, y compris sous forme thermique. Et, s’il n’existe pas encore de réglementation générale spécifique aux seules boues du traitement des eaux, un Comité Technique, chargé de « caractériser les boues du cycle de l’eau » a néanmoins été créé au sein du Comité Européen de Normalisation.
La mise en décharge
La réglementation française sur les décharges contrôlées, ou plutôt sur les « Centres d’Enfouissement Technique » ou « Centres de stockage des résidus » est en pleine évolution. Dans l’ancienne réglementation, encore partiellement en vigueur, les décharges sont classées en trois catégories en fonction de leur coefficient de perméabilité :
- – les décharges de classe 1 (dites imperméables) accueillent les boues industrielles ;
- – les décharges de classe 2 (semi-imperméables) admettent les boues urbaines ou assimilées ;
- – quant aux décharges de classe 3, elles n’acceptent aucune boue.
Pour être admises en décharge, les boues doivent présenter une siccité minimale de 30 % (suivant l’instruction technique ministérielle du 11 mars 1987). Toutefois, des dérogations sont possibles pour les boues moins bien déshydratées, si le bilan hydrique de la décharge le permet, et à condition de limiter le tonnage de boues par rapport à celui des ordures ménagères.
La nouvelle réglementation, qui se met en place, modifie cette donne : sa philosophie est de réduire le volume de déchets mis en décharge et de réserver cette solution aux déchets ultimes, définis comme « plus susceptibles d’être traités dans les conditions techniques et économiques du moment, notamment par extraction de la part valorisable ou par réduction de leur caractère polluant ou dangereux ». Ainsi, de nouvelles règles sont applicables depuis le 1er janvier 1994 aux décharges de classe 1, destinées à stocker des « déchets industriels spéciaux ultimes », c’est-à-dire des déchets solides, minéraux, peu évolutifs et peu solubles ; y sont admis les résidus de station d’épuration d’eaux industrielles et les résidus de l’incinération (cendres et déchets de neutralisation des gaz ou des eaux de lavage des gaz).
Pour pouvoir être acceptées sur le site, les boues devront satisfaire à plusieurs critères, leur siccité devant notamment atteindre 30 % au minimum, puis 35 % à partir de 1996. Les teneurs maximales admissibles en métaux lourds et en divers polluants sont également fixées. En outre, à l’échéance du 30 mars 1995, pour certains (catégorie A), ou du 30 mars 1998, pour les autres, les déchets devront être stabilisés, c’est-à-dire respecter certains critères additionnels, dont un relatif à leur teneur en matière organique.
C’est en principe en 2002 au plus tard que les décharges de classe 2 seront fermées aux déchets organiques, dont les boues de stations d’épuration. Dans la période précédant cette interdiction, les boues urbaines devraient pouvoir être admises, à condition d’avoir été stabilisées, présenter une siccité supérieure à 30 %, une fraction soluble inférieure à 10 % de la matière sèche et d’être pelletables (cette information est donnée sous réserve, l’arrêté ministériel relatif à ces décharges n’étant pas encore publié).
Toutes ces contraintes vont entraîner une augmentation certaine du coût de mise en décharge. Aujourd’hui, le prix d’accueil des cendres d’incinération ou des boues, en décharge de classe 1,
Varie de 500 à 700 F par tonne ; s’y ajoute le transport, estimé entre 100 et 500 F par tonne, selon les distances. De même, l’évacuation des boues en décharge de classe 2 revient actuellement entre 200 et 400 F la tonne, dans un site conforme à la réglementation actuelle, transport compris.
D’après les spécialistes, le respect des nouvelles règles d’exploitation devrait entraîner un surcoût d’environ 100 F par tonne, sans compter le coût de la stabilisation éventuellement nécessaire. Les restrictions réglementaires et l’augmentation des coûts expliquent la désaffection qui s’instaure vis-à-vis de la mise en décharge, au profit de la valorisation agricole.
Le recyclage agricole
La valorisation agricole constitue de loin la forme la plus répandue du recyclage, les éléments contenus dans les boues présentant un intérêt certain pour les cultures : l’azote, le phosphore sont recherchés comme éléments fertilisants ; dans d’autres cas, ce sont la matière organique ou encore le calcium pour traiter les terrains à tendance acide. La filière de traitement à l’intérieur de la station étant susceptible de modifier la composition chimique des boues, il faudra tenir compte des attentes des utilisateurs pour la définir.
L’épandage agricole des boues est soumis à certaines règles, essentiellement le respect de la norme NF U 44-041 du 11 juillet 1985, qui fixe en particulier les teneurs en métaux lourds à ne pas dépasser dans la composition de la boue et dans le sol, teneurs voisines de celles données par la directive européenne du 12 juin 1986. Ces textes prescrivent aussi les conditions d’épandage à respecter pour prévenir les risques sanitaires et protéger l’environnement, et définissent les modalités de l’autocontrôle.
Pour pérenniser cette filière, une organisation rigoureuse doit être mise en place, le plan d’épandage, les relations avec les utilisateurs, notamment le suivi agronomique des sols, le prêt du matériel nécessaire à l’épandage étant indispensables pour bien la faire accepter. La brièveté des périodes d’épandage impose des stockages de longue durée, ce qui dans le cas de boues peu stabilisées influe sur leur état physique et provoque un risque de dégagement d’odeurs, à tel point que certaines municipalités sont allées jusqu’à interdire l’épandage. On comprend donc qu’une tendance se dessine en faveur d’une production de boues de plus en plus solides et stabilisées. La déshydratation en filtre-presse avec conditionnement minéral par chlorure ferrique et chaux permet d’atteindre ces objectifs. Avec les autres machines, de type centrifugeuse ou filtre à bande, un post-traitement de la boue, par chaulage, compostage ou séchage thermique, est souvent nécessaire.
Il est difficile de prévoir l’avenir de la valorisation agricole. Cette filière est parfois jugée menacée par un durcissement des normes sur la qualité des boues, ou tout simplement par la désaffection des agriculteurs ; aussi, se tourne-t-on de plus en plus vers d’autres filières, comme l’incinération.
L’incinération
Aujourd’hui, l’incinération est considérée comme le dernier recours en matière d’évacuation des boues. En effet, elle transforme l’eau et la matière organique en gaz de combustion, et ne subsistent alors que les matières minérales, qui forment les cendres représentant environ 10 % du poids initial d’une boue de siccité 25 %, dont le rapport matière volatile sur matière solide (MV/MS) est de l’ordre de 60 %. Cependant l’incinération est très réglementée et les conditions de combustion, les fumées rejetées à l’atmosphère et les cendres mises en décharge doivent respecter certaines spécifications. La norme allemande relative aux fumées (17 Bim Sch V) semble devoir être généralisée prochainement à l’Europe, avec la possibilité dans certains pays d’une sévérité accrue. Dans ces conditions, le coût de l’épuration des fumées représente une part très importante du prix d’une installation d’incinération, et l’on comprend alors que tout procédé visant à réduire le débit à traiter, comme celui du préséchage des boues, sera à examiner avec attention.
Degrémont construit et exploite des installations d’incinération de boues depuis le début des années 1970. Les fours tubulaires rotatifs et les fours à soles étagées de type classique ou à pyrolyse-combustion utilisés à l’origine sont aujourd’hui supplantés par les fours à lit fluidisé, plus simples d’exploitation. Ces fours sont constitués d’une chambre de combustion verticale garnie de matériau réfractaire, à la base de laquelle un lit de sable porté à haute température est maintenu en suspension par un flux d’air insufflé à travers une grille équipée d’injecteurs. Les boues sont introduites à l’intérieur ou au-dessus du lit de sable. L’air de fluidisation représente la plus grande partie de l’air comburant. Un faible débit d’air secondaire est injecté au-dessus du lit pour assurer la combustion complète des gaz. Sauf dans le cas de boues primaires fraîches, l’obligation de porter les gaz à 850 °C empêche d’incinérer sans apport d’énergie les boues issues des appareils de déshydratation mécanique. Pour limiter la consommation du combustible d’appoint, il est procédé à une récupération de chaleur sur les gaz chauds quittant la chambre de combustion. Pour cela, deux techniques sont utilisées. L’une réchauffe l’air comburant dans un échangeur fumée-air. L’autre consiste à présécher la boue en amont du four à l’aide de la vapeur produite par une chaudière de récupération. Cette solution est thermiquement plus performante que la précédente, puisqu’elle permet d’atteindre l’autocombustibilité de boues de siccité 24 %, avec un taux de MV/MS de 65 %. Quelques récupérations supplémentaires sur les buées d’évaporation du sécheur et sur les condensats, avant leur retour au ballon de la chaudière, améliorent encore ce bilan. Ils
permettent d’incinérer sans apport de fioul des boues de siccité 22 % et de MV/MS 62 %. Dans ce cas l’économie par rapport au préchauffage d’air est de plus de 100 litres de fioul par tonne de matière solide incinérée, au prix, il est vrai, d’un investissement supérieur qui ne se justifie que sur les grandes installations (figure 3).
Ces procédés permettent d’incinérer les boues avec un coût global compris entre 1 500 F et 2 500 F par tonne de matière sèche. Ce prix inclut l’investissement, pour une installation conforme à la réglementation allemande, le renouvellement du matériel, les frais d’exploitation et l’évacuation des cendres en décharge de classe 1. Il concerne des usines capables de traiter de 5 000 à 20 000 tonnes de matière sèche par an, ce qui représente des stations de 200 000 à 800 000 EH.
Il faut remarquer que le coût à la tonne augmente très rapidement lorsque la taille de l’installation diminue, c’est pourquoi l’idée de profiter de fours d’incinération d’ordures ménagères pour y traiter les boues de station est séduisante. L’une des méthodes consiste à sécher les boues jusqu’à une teneur en matière sèche de 65 %, ce qui leur confère un pouvoir calorifique voisin de celui des ordures ménagères. Elles peuvent alors être injectées dans la trémie du four, mais il faut diminuer d’autant le volume d’ordures auquel elles se substituent. Cela peut poser un problème technique si le four est proche de la saturation, ou économique puisque la boue est traitée au même prix que les ordures ménagères.
L’autre solution consiste à adopter le procédé IC 850 mis au point par nos soins (figure 4) : il permet d’injecter dans le four des boues de siccité comprise entre 12 % et 40 %, dans une proportion de 15 % à 25 % du poids d’ordures, et cela sans diminuer le tonnage d’ordures traité dans le four. Ce procédé, qui s’adapte sur la plupart des incinérateurs, est mis en œuvre sur les trois fours de l’usine de la Principauté de Monaco. Son coût d’exploitation, qui est faible, se limite à l’énergie de pompage, à l’air comprimé des vérins et à quelques pièces de rechange pour assurer la maintenance annuelle. Hors transport des boues, le coût total (incluant les annuités de remboursement) se situe ainsi entre 150 F et 200 F par tonne de boue traitée, soit 600 F à 1 000 F par tonne de matière sèche, selon la taille de l’installation et les conditions d’implantation. Ces montants incluent l’évacuation des cendres et mâchefers.
La préparation de la boue en station d’épuration
Avant d’être évacuées vers leur destination finale, les boues doivent être traitées au cours d’opérations qui consistent à les épaissir, les déshydrater et les stabiliser pour obtenir un produit solide ou tout au moins pâteux, non fermentescible.
Pour cela, Degrémont dispose de toute une panoplie de techniques. Au classique épaississement par décantation statique sont venues s’ajouter depuis quelques années trois techniques dynamiques qui permettent d’obtenir de meilleurs taux d’épaississement, au prix, il est vrai, d’une dépense d’énergie électrique et de réactifs plus élevée. Ainsi, les flottateurs à air dissous de type Sediflotazur® sont bien adaptés au traitement des boues biologiques en excès. Les centrifugeuses de type décanter continuous sont également utilisées pour la fonction épaississement, de même que les grilles d’égouttage GDE®.
La stabilisation en phase liquide a pour but de réduire le pouvoir fermentescible et, du même coup, les nuisances olfactives. La destruction des germes pathogènes est parfois aussi recherchée. L’injection de réactifs chimiques, notamment la chaux éteinte, assure une stabilisation provisoire, tandis que la digestion anaérobie stabilise la boue plus long terme et en réduit la quantité, tout en produisant du biogaz valorisable.
Les procédés de déshydratation mécanique ont pour objectif de faire passer la boue de l’état liquide à une consistance plus ou moins solide répondant aux exigences de la destination finale. C’est à cette étape que l’on utilise les filtres-presses à plateaux chambrés, les centrifugeuses décanter continuous, les filtres à bandes presseuses (figure 5).
Souvent des traitements complémentaires devront être assurés pour faciliter l’évacuation. Tous augmentent la siccité de la boue, la stabilisent et l’hygiénisent. Le chaulage apporte en outre un élément souvent apprécié des agriculteurs, le compostage (figure 6) modifie le rapport C/N de la matière organique, et le séchage thermique diminue le volume à évacuer (figure 7).
Une approche méthodique pour chaque situation
C’est à partir des données de chaque cas particulier : quantité et nature des boues à traiter, contraintes et coûts des destinations finales applicables, que le spécialiste concevra la chaîne de traitement la mieux adaptée. Cette chaîne comprendra en général des étapes d’épaississement, stabilisation, déshydratation et de plus en plus fréquemment un post-traitement en phase solide (cf. Encadré). Choisir la combinaison la mieux adaptée, dimensionner procédés et appareils : tout un métier…
