Problématique des boues de stations d'épuration

Chaque équivalent habitant produit 150 litres d'eau usée par jour en système séparatif et 45 g de matière sèche de boue en sortie de station d’épuration, occupant de 1 à 4,5 litres sous forme liquide.

Le coût de la filière boue représente actuellement 40 % du coût total d'exploitation de la station et cette proportion ne peut qu’augmenter avec le renforcement de la législation qui prend en compte le risque sanitaire des boues. D'après les règlements récents :

• * L'exploitant de la station est responsable du devenir de la boue ;
• * Les boues de stations d’épuration doivent obligatoirement être traitées, stabilisées et hygiénisées ;
• * La filière boue doit faire l’objet d’un contrôle officiel et la traçabilité de la boue doit être assurée ;
• * Le stockage ne doit produire aucune pollution.

Problématique des boues

Les stations d’épuration, dans leurs conceptions actuelles, savent dégrader les composés organiques biodégradables et séparer les eaux épurées des suspensions, mais ne savent pas, ne peuvent pas et ne sont pas conçues pour séparer spécifiquement les composés toxiques minéraux ou organiques, ni les germes pathogènes des eaux usées brutes.

Ces composés, nuisibles, toxiques et réfractaires à l’épuration sont concentrés dans le résidu du processus épuratoire : la boue de station d’épuration.

La problématique des boues de stations d'épuration, c'est essentiellement l'élimination des boues contaminées par des éléments toxiques minéraux ou organiques et par des microorganismes pathogènes d'une façon acceptable par la société.

Histoire de boue

Un peu d’histoire pour fixer dans la continuité la problématique des boues.

L’émergence du concept de boue

Le concept de boue a demandé du temps, des erreurs et l’abandon d'illusions.

Les fosses d’aisance ou les systèmes divi

Seuls (séparateurs excréments/urine), seuls systèmes légaux avant le tout-à-l’égout, produisaient une matière de vidange extrêmement malodorante et malsaine, mais hautement précieuse, consciencieusement collectée, et soit séchée dans des voiries à poudrette (nom de la matière de vidange séchée) puis commercialisée, soit utilisée directement en agriculture sous forme d’engrais flamand (liquide). Les utilisateurs savaient parfaitement que ces matières étaient d’excellents engrais azotés et phosphatés, à une époque où l’engrais minéral n’existait pas.

La création de l’eau d’égout moderne (en France vers 1860 avec les égouts haussmanniens)

Après quinze ans environ de pollution intense de la Seine par les eaux usées, les premiers procédés d’épuration, les champs d’épandage (après 1872), sont construits et basés sur l’association d’une infiltration dans le sol couplée à une culture agricole de légumes. Ces systèmes ne produisent apparemment pas de boue.

Des procédés plus intensifs apparaissent plus tard, vers 1900 : les lits bactériens à contact et à ruissellement. Ils accumulent inintentionnellement dans leurs versions initiales les boues dans leurs matériaux de garnissage.

Aussi, pendant longtemps, les boues résultant de l'épuration biologique des eaux usées ont été ignorées et leur existence mise en doute, voire niée.

Naissance des boues primaires

Les lits bactériens ont demandé, après quelques années d'illusion sur l’absence de boue, l’installation de bassins de décantation en amont sous forme de fosses septiques (fosses Mouras) qui accumulaient les boues dans leur fond plat pendant plusieurs semaines. Ces nouveautés techniques, très puantes, sont les précurseurs des boues des stations actuelles. Elles contiennent déjà certains éléments de la problématique des boues, un produit non hygiénique, volumineux, générant des nuisances olfactives pour le voisinage, infiltrables mais utilisées en agriculture par analogie aux matières de vidange, quoique les utilisateurs aient vite compris qu’elles étaient moins fertilisantes…

Ces boues de fosses septiques suscitent des perfectionnements pour pallier leurs inconvénients. Les fosses Travis et Imhoff à digestion méthanifère sont les précurseurs des digesteurs modernes. L’élimination de ces boues de fosses septiques et fosses méthanifères se fait par enfouissement en tranchées, ou sur lits de séchage suivi par épandage agricole.

La boue des stations d’épuration après 1925 est donc soit une boue digérée en digesteur non brassé non chauffé, soit, moins bien stabilisée, une boue de vidange des fosses septiques construites devant les lits bactériens et qui est en somme l’équivalent d’une boue primaire fermentée.

Le procédé des boues activées (après 1913) a immédiatement remis les faits à leur place : l’épuration biologique engendre nécessairement une boue qui est un composé vivant de bactéries d'une autre composition organique, toute différente de la pollution dont elle s'est nourrie.

Propriétés des boues de stations d’épuration

Les boues de stations d’épuration sont composées de trois constituants toujours présents, dont les proportions varient selon les procédés d’épuration des eaux usées :

1. 1. La fraction décantable des MES de l'eau brute (comprenant une partie organique et une partie minérale).
2. 2. Corps des bactéries et de micro-organismes résultant de la dégradation biologique de la DBO, dissoute. Ils comprennent également une partie minérale et organique. C’est la boue en excès.
3. 3. Fraction minérale apportée en tant que réactif ou produites en cours du traitement (Fe, S, Al, NO, talc, Ca, PO et…).

Fraction MES décantable

Partie minérale

• * Limons
• * Sables

• * Cristaux CaCO₃, PO₄Fe, FeS, CaSO₄, etc...
• * Métaux lourds sous forme de sulfures décantables ou autres combinaisons organique ou cristalline.
• * C'est une partie non susceptible de réduction volumique mais qui favorise la décantation.

Partie organique

• * Fibres de cellulose (papier hygiénique dont la consommation est d’environ 10 g/hab/j). Ces fibres sont toujours présentes dans les boues. Elles ne sont pas biodégradées dans les digesteurs méthanifères. Elles jouent un rôle très positif dans la filtrabilité des boues. Leur proportion dans les boues déshydratées permet une évaluation qualitative du taux de capture de la matière organique non cellulosique (s'il y a trop de fibres dans la boue déshydratée, cela signifie que la matière organique non cellulosique n’a pas été capturée lors de la déshydratation des boues et donc que la station d’épuration ne fonctionne pas correctement). C'est une partie susceptible de réduction volumique par voie enzymatique ou chimique. Elle augmente la filtrabilité.
• * Fragments de M.O. des biofilms des parois de l’égout. Ces biofilms sont noirs à cause des sulfures de fer. Ils sont la source d’ensemencement des boues activées par les bactéries filamenteuses du soufre. Ils sont susceptibles d’être oxydés par voie chimique.
• * Fragments de M.O. d’aliments fibreux non digérés, fibres végétales ou animales ; dans les eaux de vaisselle (pépins de raisins, de tomates, de figues toute l'année et grains de pollen en période de floraison). Pas de réduction possible du volume.
• * Poils, cheveux ayant échappé à la flottation des graisses. Ils sont à l’origine des filasses dans les pales tournantes de la station et conduisent au colmatage des microtamis et des fentes de buselures. Pas de réduction possible du volume.
• * Fragments de tissu végétal, de réserves d'amidon qui constituent les composés fermentescibles mal digérés (pain, féculents) ou des déchets des eaux de vaisselle. Oxydables et assimilables. Réduction possible du volume.
• * Bactéries fécales et telluriques libres ou agglomérées en paquets par des exopolymères ou fixées sur des supports (fibres végétales ou grains de sable). Éliminables par désinfection chimique.

Mycelium, levures et spores innombrables de moisissures développées sur les parois des égouts, œufs de parasites, œufs d’organismes vivants dont le biotope est l’égout (mouche Psychoda, Nématodes, vers, Enchytrées...), kystes innombrables de Protozoaires : la biocénose du biotope eau usée : éliminables par désinfection chimique ou autre.

Les boues en excès

Les boues en excès sont les corps bactériens résultant de la biodégradation de la pollution organique dissoute. Elles ont des propriétés variables selon le mode de traitement biologique adopté et font l'objet d'un contrôle dans certaines stations d’épuration. Quantitativement, elles constituent de l’ordre de 50 % du poids total des boues sortant de la station. Elles ont à peu près le même poids que les matières décantables de l’eau brute captées dans les décanteurs primaires. Elles sont donc d'une très grande importance.

Les matières organiques de ces biomasses sont constituées de :

1. 1. Protéines intracellulaires faciles à dégrader, fermentescibles en milieu anaérobie (sans oxygène), avec production de composés organiques réduits, volatils, malodorants : ptomaines, acides gras volatils, NH₃, composés réduits soufrés (mercaptan). Ces protéines ont peu d’influence sur les propriétés de tassement et de filtrabilité des biomasses.
2. 2. Exopolymères. Ce sont des composés formant gel autour des corps bactériens (la capsule) volumineux mais peu pondéreux, gorgés d'eau, difficiles à biodégrader. Ces exopolymères jouent un rôle majeur dans les propriétés de tassement et de filtrabilité parce que compressibles et déformables. De plus, ils ont la propriété de retenir l'eau.
3. 3. Microorganismes (Protozoaires et Métazoaires). Ce sont des prédateurs naturels des bactéries de la boue activée. La composition de la biocénose (ensemble des espèces présentes) et l'effectif de chaque espèce donne une indication du fonctionnement du bassin d’activation et révèle les influences qu'il reçoit.

Propriétés physiques des boues en excès

• * Elles se tassent au cours de la décantation mais ne peuvent dépasser la concentration de 8 g/l sans le recours de charges minérales.
• * Elles sont aérobies et consomment de l’oxygène. La cinétique de respiration est caractéristique de chaque boue.
• * Elles fermentent en anaérobiose avec décomposition des protéines intracellulaires.
• * Elles sont parfois colonisées par des bactéries filamenteuses qui s’opposent à leur épaississement.

Les matières minérales des boues en excès

Elles proviennent de :

1. 1. cristaux de réserve intracellulaire (Volutine, Fe₂O₃, S°, CaCO₃) ;
2. 2. cristaux adsorbés à la surface des biofilms ou des flocs, sur les exopolymères des bactéries ;
3. 3. l'incorporation d’oligoéléments et de

minéraux nécessaires à la synthèse des protéines et aux réactions enzymatiques : N, P, S, Zn, Cu, Mn, Ni ;

4. limons et sables fins collés sur les exopolymères ;

5. d’hydroxyde ferrique Fe(OH)₂ et de FePO₄ collés sur les exopolymères bactériens dans le cas d’un traitement physico-chimique de l’eau ou similaire ;

6. de métaux lourds adsorbés ou complexés sur les exopolymères des bactéries.

Problème de l’hygiène et des boues

C’est la problématique essentielle des boues de stations d’épuration. Elle comprend en fait trois volets :

1. la teneur des boues en métaux lourds (on dit : Éléments Traces Minéraux – E.T.M.) ;

2. la teneur en microorganismes pathogènes ;

3. la teneur en éléments traces organiques toxiques (on dit : Éléments Traces Organiques – ETO).

E.T.M.

I / Concentration limite dans les boues

Tableau n° 2 : Valeurs limites de concentration dans les boues

Les métaux lourds (E.T.M.) proviennent des eaux usées, principalement industrielles. La norme, revisitée récemment, fixe les concentrations limites acceptables dans les boues de stations d’épuration pour une utilisation en fertilisation des champs ainsi que les apports globaux sur une même parcelle.

2 / Teneur des sols en E.T.M.

L’emploi de la boue de stations d’épuration en fertilisation concerne peu à peu les sols en E.T.M. Certains sols concentrent peu, ce sont les sols bénéficiant d’une hauteur importante, d’autres au contraire concentrent les métaux lourds au-delà des valeurs limites. La qualité du sol est également très importante du point de vue de l’hygiène : un sol riche en humus fixe les métaux qui ne sont pas lessivés par les eaux de pluie. Les sols présentant des teneurs en E.T.M. supérieures aux valeurs limites sont interdits d’épandage de boues de station d’épuration. Mais les intrants habituels (engrais, pesticides) ont dans certains cas des teneurs en E.T.M. supérieures à celles des boues de stations d’épuration.

Tableau n° 3 : Teneurs limites en E.T.M. des sols

Ces taux concentrent, eux aussi, les métaux lourds et atteignent l’homme par la consommation de viande.

Mais le transfert des E.T.M. aux tissus végétaux et animaux se fait à des taux variables selon les métaux lourds et selon les tissus du végétal. Les graines concentrent peu alors que les tissus verts concentrent beaucoup. Les racines concentrent plus que les parties aériennes ; les troncs d’arbres concentrent peu.

Chez les animaux, les glandes et les muqueuses concentrent plus les métaux que les muscles.

Ce transfert est également variable suivant :

• la nature du sol (teneur en humus, profondeur) ;

• la saison (climat) ;

• la façon culturale ;

• et le sort de chaque situation d’épandage est un cas unique.

Remise en question des pratiques agricoles

Les études accomplies depuis plus de vingt ans sur les E.T.M. dans les sols contaminés par des boues de stations d’épuration ont montré que l’épandage de boue de stations d’épuration n’est pas seul responsable de l’élévation des métaux lourds dans le sol.

Le cuivre par exemple, dans les sols de

Tableau n° 4 : Teneurs en E.T. des engrais phosphatés(fourchette de variation en mg/kg MS)

Le phosphore apporté aux vignobles est appliqué depuis plus de cent ans. Les engrais chimiques contiennent des ETM, en particulier des superphosphates.

Si précaution il y a pour les boues, il en faut également pour les engrais minéraux.

Ceci remet en question les pratiques actuelles de fertilisation à outrance et tend précisément à diminuer les fertilisations, en tout cas à les contrôler ; c’est une retombée indirecte très bénéfique qui est à mettre au compte des boues de stations d’épuration et des craintes qu’elles ont suscitées.

En somme, les boues des stations d’épuration sont de bons engrais au sens qu’elles amendent le sol par la matière organique qu’elles contiennent et par leurs nutriments azotés et phosphatés, mais les éléments traces posent le problème de la durée de l’apport tolérable pour conserver un sol sain.

De la nécessité d’un plan d’épandage

Le respect de la réglementation limitant les épandages passe par leur application raisonnée et contrôlée, c’est-à-dire un plan d’épandage.

Bactéries, Virus, Parasites

Les boues concentrent certains germes pathogènes d’origine fécale tels que Salmonella, Shigella, Proteus, Escherichia coli, Leptospira, Clostridium des gangrènes et du tétanos, voire, en cas d’épidémie, les vibrions cholériques, les entérovirus, etc.

La décantation des boues et leur déshydratation opérées dans la station d’épuration ne font que concentrer les germes fécaux qui sont dispersés ensuite lors des épandages. Le biotope boue de station d’épuration, sans être convenable pour les parasites et les pathogènes du corps humain, permet toutefois une survie plus ou moins prolongée sans multiplication, notamment sous forme de spores (bactéries, moisissures), kystes de protozoaires ou œufs (Helminthes), de sorte qu’une boue de station d’épuration est un fluide potentiellement pathogène bien plus dangereux, à volume égal, qu’une eau usée brute.

On sait que le biotope sol, par contre, n’est pas du tout favorable aux parasites et pathogènes humains qui ne peuvent s’y développer à cause de la dilution importante, des températures du sol, de la compétition bactérienne et des prédateurs. Les œufs d’Helminthes et les spores bactériennes pouvant toutefois survivre et conserver un pouvoir infectant. Leur dispersion importante dans le sol, suite aux labours, limite les risques de contamination parce que la concentration en germes dans le sol offre une très faible probabilité de rencontrer la dose minimale infectante.

Pourtant, une hygiénisation des boues de station d’épuration est souhaitable avant épandage, en particulier à cause des risques inhérents au stockage des boues.

Les techniques d’hygiénisation sont :

1. traitement préalable des boues par digestion anaérobie méthanifère, dont le principe d’hygiénisation consiste à présenter aux germes pathogènes un biotope hostile. Les formes de résistance (spores) survivent tou-

toutefois un certain temps dans les digesteurs (Clostridium) et l'hygiénisation n'est que partielle.

2. Chaux – pH 12 – Le chaulage est radical et détruit œufs, germes et spores, kystes mais il faut un mélange parfait sans laisser des poches non traitées.

3. Compostage : les boues mélangées à des bois d’élagage ou des tontes des gazons (sans éléments traces) sont compostées. Les andains, régulièrement retournés, atteignent la température de 70 °C, ce qui détruit les germes pathogènes.

4. Procédé de mélange avec des terres en aérobiose et maturation accélérée à température mésophile (40 °C) : élimination des germes par compétition avec la flore tellurique dominante. Études écologiques du procédé IDEASOL en cours.

5. Conditionnement et séchage à température désinfectante à > 100 °C (Porteous) :

* sécheur à tambour

* sécheur à bande

* sécheur à lit fluidisé

Les boues sont préalablement déshydratées mécaniquement, extrudées en granules et séchées.

6. Traitement au rayonnement à haute énergie :

* accélérateur de particules ou émetteur de rayons au cobalt radioactif. Dans ce cas-là, la boue liquide est traitée par passage devant un faisceau de rayons gamma.

E.T.O.

Le tableau 5 décrit les valeurs limites des éléments traces organiques en épandage agricole.

Réduction du volume des boues de stations d’épuration

On a toujours intérêt à réduire le volume de boue pour des raisons d’économie, de traitement, de déshydratation, d’hygiénisation et de transport des boues. La réduction du volume des boues débute dès le traitement biologique et se poursuit dans l’atelier de déshydratation.

Valeur limite

Réduction des volumes des boues activées en excès par les procédés suivants :

* Les procédés biologiques d’aération prolongées concentrent les boues activées jusqu’à 8 g/l, alors que les boues activées moyennes ou faible charge ne dépassent pas 4 g/l.

* Les apports de réactifs destinés à clarifier l'eau ou à précipiter les phosphates en formant des flocs plus lourds qui se tassent mieux. L’apport de FeCl₃ ou de différents sels d’alumine, par exemple dans la boue activée ou dans un décanteur primaire.

* Les flottateurs de boues activées en excès destinés à élever les concentrations des boues à envoyer dans les digesteurs. L’ajout de polymère est possible, mais la flottation par air surpressé agit généralement sans apport de polymère.

* Les procédés modernes de boues activées et de filtration membranaire qui autorisent des concentrations élevées en boue.

* Les procédés de lyse mycélienne, enzymatique, thermophile ou chimique diminuent la concentration des boues (procédé BIOLYSIS).

Réduction des volumes des boues primaires ou digérées par les procédés suivants :

* Digestion méthanifère : elle diminue la concentration organique des boues mais améliore leurs propriétés d’épaississement. Les boues digérées sont minéralisées et stabilisées (non fermentescibles).

* Déshydratation sur tambour filtrant (procédé SPF) ou table d’égouttage ou raster ; siccité entre 15 et 18 %.

* Filtre à bande ; siccité entre 18 et 25 %.

* Centrifugeuse ; siccité entre 20 et 28 %.

* Filtre-presse ; siccité entre 40 et 55 %.

Problème de l’épandage agricole et alternatives

L’histoire, les réflexes économiques, le poids culturel, un bon sens apparent, poussent au recyclage et à la valorisation des boues de station d’épuration en agriculture, assortie des précautions légales des plans d’épandage contrôlés. Mais l’accent mis sur les risques sanitaires par la législation a des effets indirects défavorables à la filière de l'épandage agricole.

1. La contamination à long terme des sols par épandage incite les agriculteurs à éviter tout risque pour l’avenir et à rechercher d’autres solutions à la fertilisation.

2. La notion que l’épandage est un service rendu aux collectivités invite les agriculteurs à faire payer ce service, ce qui diminue l’intérêt économique de la filière épandage et renforce d’autant les filières concurrentes.

3. Une publicité commerciale exploite les débats sur les boues pour pratiquer une surenchère à l’hygiène en proposant des produits alimentaires garantis cultivés sur sol sans boue de station ; ce qui a pour effet d’augmenter les partisans de l’exclusion des boues en agriculture.

Devant ces réticences, des filières alternatives existent, dûment réglementées :

1. végétalisation de sols non agricoles avec les boues de station (surfaces engazonnées, golfs, digues etc.) ;

2. épandages liquides en forêts sur taillis à courte rotation ou toute autre production ;

3. les alternatives thermiques : les difficultés de transport des réactifs et des boues dans les agglomérations tendent à promouvoir des filières de déshydratation et incinération sur site, bien que le coût de construction et d'exploitation soit élevé.

Une autre filière thermique intéressante pour les villes garantissant une boue aux propriétés régulières :

* incinération de la boue dans les fours de cimenterie,

* l'incorporation de la boue dans des pâtes de briques pour produire des chamottes poreuses,

* l'incinération avec les ordures ménagères.