Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme... en boues

« Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme ».

Ainsi parlait Antoine Laurent de Lavoisier à l’époque de la Révolution Française. Plus de 200 ans plus tard, ce principe fondamental est toujours d’actualité et retrouve toute sa force alors qu’entre en vigueur la nouvelle législation sur le traitement des eaux résiduaires urbaines.

Les boues résiduaires urbaines, leur traitement et leur destination finale génèrent aujourd’hui une problématique qu’il est important de ne pas sous-estimer sous peine d’être confronté à de graves déconvenues lorsqu’entreront en vigueur les nouveaux textes réglementaires sur les performances et la fiabilité des stations de traitement des eaux usées.

« Traiter l’eau, c’est traiter les boues ». Un accord quasi-unanime valide cette assertion. L’objet de ce texte est de faire le point sur la quantité de boues produite par les installations de traitement des eaux usées fonctionnant en procédé biologique à faible charge massique. Il montrera les limites des formules traditionnelles et l’importance d’évoluer vers une nouvelle méthode, approuvée mais trop peu utilisée.

La formule d’Eckenfelder, élaborée en 1956 (Eckenfelder et al., 1956), sert de référence au calcul de la production de boues résiduaires urbaines de nombreux modèles utilisés jusqu’à aujourd’hui. Dans sa forme originale, elle se présente sous la forme :

ΔS = S_entr + (a_m · L) – (b · S V) – S_eff (1)

avec :

• S : production de boues biologiques à extraire (hors fuite du clarificateur) ;
• S_entr : masse de matières minérales en suspension apportée par l’influent ;
• S_eff : masse de matières en suspension difficilement biodégradables (par exemple cellulose) apportée par l’influent. On considère qu’elle représente de 20 à 30 % des MVS ;
• a_m : masse de matière vivante produite en aération prolongée à partir d’un kg

* Lyonnaise des Eaux, Direction Régionale Aquitaine.

** Lyonnaise des Eaux, Direction Régionale Parisienne Nord.

*** Centre International de Recherche Sur l’Eau et l’Environnement.

• de DBO₅ (0,6 en aération prolongée) ;
• L₅ : masse de DBO₅ éliminée par jour (kg DBO₅·j⁻¹) ;
• b : fraction de la matière vivante détruite par auto-oxydation en une journée (0,06 à 0,05 j⁻¹) ;
• SV : masse de boues organiques (ou volatiles) présente dans le bassin d’aération (kg de MVS) ;
• Sₑₑ : masse de boues évacuée avec l’effluent épuré.

Cette détermination a été réalisée en laboratoire, en batch, sur souche pure nourrie avec un substrat pur de type glucose, selon le système d’équations suivant :

4 C₆H₁₂O₆ + 4 NH₃ + 16 O₂ → 4 C₅H₇NO₂ + 16 CO₂ + 28 H₂O  (a)
4 C₅H₇NO₂ + 20 O₂ → 20 CO₂ + 4 NH₃ + 8 H₂O  (b)

(a) : phase de synthèse de la matière vivante (b) : phase de respiration endogène (auto-oxydation)

Eckenfelder lui-même, dans un ouvrage de 1961, précise les paramètres et les conditions d’application de sa formule (Eckenfelder et al., 1961) :

• - l’évolution du coefficient de respiration endogène b est linéaire sur les 5 premiers jours, puis suit ensuite une évolution logarithmique qui l’éloigne de la valeur de 0,055 prise conventionnellement ;
• - il faudrait enlever la fraction de MV dure de la quantité de MV auquel s’applique ce coefficient b ;
• - sur un effluent urbain, il n’est pas possible d’éliminer plus de 50 % de la matière volatile entrante.

Les modèles traditionnels de calcul de production de boues sont issus de l’extrapolation de cette formule mais ne prennent plus en compte les limites initiales fixées par Eckenfelder. Les résultats obtenus à partir du « modèle traditionnel » qui serviront dans ce texte seront déterminés à partir de la formule (1).

C. Fayoux propose une nouvelle approche basée sur la conservation du flux de matières minérales (C. FAYOUX et al., 1994). Cette formule, appelée « modèle C.I.R.S.E.E. » dans le texte, se présente sous la forme :

AS = Sᵢₙₜ + Sdur + ((0,83 + 0,2·log(Cm)) · L₅) – Sₑₑ (2)

avec :

• AS : production de boues biologiques à extraire (hors fuite du clarificateur) ;
• Sᵢₙₜ : masse de matières minérales en suspension apportée par l’influent ;
• Sdur : masse de matières en suspension difficilement biodégradables (par exemple cellulose) apportée par l’influent. On considère qu’elle représente de 20 à 30 % des MVS ;
• Cm : charge massique du système biologique considéré ;
• L₅ : masse de DBO₅ éliminée par jour (kg DBO₅·j⁻¹) ;
• Sₑₑ : masse de boues évacuée avec l’effluent épuré.

Cette formule ne fait plus apparaître le terme d’auto-oxydation qui n’est pas tangible sur les systèmes complexes que constituent les boues activées et les eaux résiduaires urbaines. Ce phénomène est pris en compte dans le facteur (0,83 + 0,2·log(Cm)) qui intègre les processus de biosorption et fait varier le coefficient de synthèse biologique en fonction de la charge massique.

La formule (2) est applicable aux eaux résiduaires urbaines, caractérisées par un ratio (MES/DBO₅) compris entre 0,75 et 1,25.

Une hypothèse fondamentale : la conservation du flux de matières minérales

La conservation du flux de matière minérale constitue un principe fondamental de la formule proposée par le C.I.R.S.E.E. (figure 1). Ces matières minérales sont mesurées analytiquement et définies par (NF T 90-029) :

Min = résidus calcinés à 525 °C

Les microorganismes présents dans le bassin d’aération sont en effet susceptibles de dégrader la matière organique afin de la synthétiser en biomasse, mais ne peuvent altérer la matière minérale.

Des mesures réalisées sur un effluent urbain « classique » indiquent que le taux de matières volatiles en suspension (MVES) d’une eau brute se trouve entre 70 et 75 %.

Un exemple numérique, pris sur une installation de 2 000 éq.hab en procédé à faible charge (Cm = 0,1 kg DBO₅·kg⁻¹ MV·j⁻¹) permettra d’apprécier la différence entre les deux méthodes proposées.

Soit les flux de pollution nominaux suivants :

• - Débit : 300 m³·j⁻¹ (150 l·(éq.hab.)⁻¹·j⁻¹)
• - DBO₅ : 120 kg·j⁻¹ (60 g·(éq.hab.)⁻¹·j⁻¹)
• - DCO : 240 kg·j⁻¹ (120 g·(éq.hab.)⁻¹·j⁻¹)
• - MES : 140 kg·j⁻¹ (70 g·(éq.hab.)⁻¹·j⁻¹)
• - MVESᵢₙₜ : 101,5 kg·j⁻¹ (soit un taux de 72,5 %), d’où 38,5 kg·j⁻¹ de matières minérales entrantes.

minérales dans l’eau brute.

- Taux de MV des boues activées mesuré : 73 %.

La fuite en MES du clarificateur est fixée à 10 mg l⁻¹, avec un taux de MVES de 80 %.

Le volume du bassin d’aération est de 400 m³ ; la concentration en biomasse est de 4 g l⁻¹ dans ce bassin.

1) Formule traditionnelle

L’application de cette formule conduit

∆S = Smin + Saur + (am · Lc) – (b · SV) – Sert
∆S = 38 + 20,3 + (72) – (64) – 3

au bilan suivant : d’où, Production de boues = 64 kg MS j⁻¹ avec am = 0,60 ; b = 0,055 ; taux de MVmes = 20 %.

Le taux de MV mesuré de la boue activée en fonctionnement faible charge est de l’ordre de 73 %, ce qui conduit à une quantité de matière minérale extraite de 17 kg j⁻¹.

Il est possible alors d’établir le bilan présenté en figure 2.

Il ressort clairement que l’application de cette formule ne permet pas de boucler le bilan sur la conservation du flux de matières minérales, sauf à considérer que la biomasse est capable de les dégrader ou qu’elles se solubilisent. L. Pellas et al. (1995) aboutissent, sur le modèle SIMBA, à la même situation de blocage qui les conduit à caler différemment leur modèle.

2) Formule du C.I.R.S.E.E.

L’application de cette formule conduit au bilan suivant :

∆S = Smin + Saur + ((0,83 + 0,2 · log(Cm)) · Lc) – Sert
∆S = 38 + 20,3 + 75,6 – 3

d’où, Production de boues = 131 kg MS j⁻¹

Le taux de MV mesuré de la boue activée en fonctionnement faible charge est de l’ordre de 73 %, ce qui conduit à une quantité de matière minérale extraite de 36 kg j⁻¹.

Il est possible alors d’établir le bilan présenté en figure 3.

Il est possible, à partir de cette formule, d’établir un bilan cohérent sur la conservation du flux de matières minérales.

La figure 4 montre que la différence de résultats obtenus entre les deux formules évolue selon la charge massique du traitement biologique considéré.

Plus la charge massique est faible, donc plus la quantité de biomasse est importante dans un traitement biologique donné, et plus l’écart entre les productions de boues calculées augmente.

L’écart entre les deux estimations est d’environ 50 % pour une charge massique de 0,1 kg DBO₅ kg⁻¹ MV j⁻¹.

La formule traditionnelle, dans ces conditions d’application, permet même mathématiquement d’aboutir à une production de boues nulle si la charge massique est égale à 0,05 kg DBO₅ kg⁻¹ MV j⁻¹. L’expérience prouve qu’une telle situation n’a aucune réalité pratique.

Une biomasse caractéristique dans le bassin d’aération

Le deuxième angle sous lequel il est possible de comparer ces deux méthodes d’évaluation des productions de boues est celui de la qualité des boues qui se trouvent dans le bassin d’aération.

Si l’on considère les résultats précédents, il ressort que l’application des diverses formules conduit à des qualités de boues radicalement différentes (Tableau I).

Les analyses réalisées sur les bassins d’aération en système à boues activées

Tableau I : Qualité des boues du bassin d’aération (% de MV).

* Le calcul de l’âge des boues est réalisé en prenant en compte les boues qui sont dans le bassin d’aération et dans le clarificateur.

Tableau II : Production de boues biologiques A.T.V. en kg MS (kg⁻¹ DBO₅ élim) en fonction du rapport MES/DBO₅ de l’eau brute et de l’âge des boues.

[Tableau III : Exemples réels de production de boues sur diverses installations]

À faible charge, les valeurs obtenues sur le taux de MV des boues activées se situent entre 70 % et 75 % pour un système classique alimenté par un réseau séparatif.

Si l’on se base sur une concentration de 4 g/l dans le bassin d’aération de 400 m³ (cas traité ci-dessus), la quantité de MS dans le système (bassin d’aération + clarificateur) sera de 1 650 kg MS. On voit également ici l’impact que peut avoir le choix de la formule sur l’évaluation de l’âge de boues ; selon l’application de l’une ou l’autre des méthodes, l’âge des boues évolue de 12,6 j (C.I.R.S.E.E.) à 26 j (formule traditionnelle).

Comme cela apparaît sur la figure 4, l’erreur sera d’autant plus importante que la charge massique sera faible. Les valeurs de référence de l’A.T.V. (Abwasser Technischen Vereinigung) sont très proches de celles obtenues par la formule C.I.R.S.E.E.

La valeur trouvée dans le cas traité ci-dessus, avec un rapport MES/DBO₅ de l’eau brute de 1,17 et un âge de boues de 12,5 j, est de 1,09 kg MS/(kg DBO₅). Ce résultat est très proche de celui déterminé par nos voisins allemands.

Conséquences importantes sur le fonctionnement des installations

Traiter l’eau, c’est aussi, voire d’abord, traiter les boues. Si les consignes d’exploitation sont ajustées sur les productions données par l’une ou l’autre des formules, il apparaît clairement que les estimations réalisées à partir de la formule traditionnelle conduiront à concentrer les boues dans le bassin d’aération et, inéluctablement, à des départs de boues de la station. Les exigences réglementaires de fiabilité et de qualité ne pourront en aucun cas être respectées.

Le tableau III ci-dessus fait part de résultats d’exploitation obtenus sur des installations récentes. La maîtrise rigoureuse de la concentration de boues dans le bassin d’aération conduit aux exemples cités :

Les différences relevées entre les résultats pratiques et les résultats théoriques peuvent s’expliquer par l’imprécision liée à l’échantillonnage et aux erreurs qui peuvent être commises sur les mesures de volumes évacués. Quoi qu’il en soit, les valeurs réelles sont très proches des quantités calculées par la méthode C.I.R.S.E.E. Ce tableau permet de constater qu’une méthode rapide d’évaluation du flux de boues produit par une station en aération prolongée consiste à poser le calcul suivant :

Flux de boues produites = (Flux de MES + Flux de DBO₅) / 2

Cette méthode d’évaluation rapide fournit, à 10 % près, pour des rejets urbains, la quantité de boues à évacuer de l’installation.

Les nouvelles exigences réglementaires vont conduire à une obligation de fiabilité de fonctionnement des installations de traitement des eaux résiduaires urbaines. Si la filière de traitement des boues est d’emblée sous-dimensionnée, la station ne pourra jamais fonctionner de manière optimale. L’incapacité de traiter la totalité des boues conduira à des dysfonctionnements chroniques par le biais des retours en tête et du stockage des boues dans les ouvrages.

En se basant sur les données des Agences de l’Eau, les productions de boues calculées par la formule C.I.R.S.E.E. pour des stations de traitement à faible charge massique (Cm ≈ 0,1 kg DBO₅ kg⁻¹ MV j⁻¹) sont données à titre indicatif sur la figure 5.

Les carences de la filière de traitement des boues apparaissent rarement à la mise en route de l’installation du fait que les stations fonctionnent rarement d’emblée à leur charge nominale. Ce sont souvent des problèmes sous-jacents qui se révèlent avec la montée en charge progressive de l’installation. De même, la mise en place de filières d’épandage contrôlées nécessite une juste évaluation des quantités de boues à mettre en œuvre sous peine d’aboutir à des solutions caducas avant même qu’elles soient appliquées. Il apparaît donc qu’une estimation aussi précise que possible des quantités de boues produites par les stations de traitement des eaux résiduaires urbaines à faible charge massique est aujourd’hui primordiale. Cette donnée de base intervient à de nombreux stades du projet et revêt une importance capitale dans l’exploitation, tant sur le plan technique que financier.

Le traitement des eaux et la filière de traitement des boues. Entre les filières de traitement des eaux et des boues, il existe une imbrication forte liée à la présence de la boucle des retours en tête. Cette liaison sera d’autant plus délicate à gérer si la filière de traitement des boues est mal dimensionnée au stade initial du projet.

Aussi, il est essentiel aujourd’hui qu’un consensus soit admis sur une nouvelle méthode d’évaluation des productions de boues.

L’application du principe de Lavoisier sur le flux de matières minérales arrivant sur la station de traitement des eaux résiduaires urbaines montre la limite des méthodes classiques d’évaluation des productions de boues. Ceci est également confirmé par l’étude de la qualité des boues extraites du bassin d’aération dont le taux de MVS ne peut être validé par l’application de ces formules.

Les formules traditionnelles sont souvent basées sur le modèle d’Eckenfelder dont elles ne respectent pas les conditions d’application. Ceci conduit à des dérives importantes sur le résultat final. Les obligations de fiabilité et de performances imposées par la loi sur l’eau du 3 janvier 1992 exigent que les productions de boues des installations de traitement des eaux résiduaires urbaines soient évaluées à leur juste quantité sous peine de mettre en place un système d’assainissement inadapté aux nouvelles contraintes. L’application de la formule du C.I.R.S.E.E. permet d’établir des bilans de production de boues cohérent.

Ces méthodes rapides d’estimation des productions de boues seront remplacées, dans les années à venir, par des modèles déterministes plus précis. Cette évolution a été rendue possible par l’étude approfondie des systèmes biologiques et par les progrès réalisés sur les méthodes d’analyse.

Bibliographie

- « Les nouvelles contraintes d’exploitation des usines d’épuration ». J.C. Cornier, C. Fayoux, A. Lesouef, D. Villesot. T.S.M., n° 7-8, 1994.

- « Kinetics of biological oxidation ». W.W. Eckenfelder, R.F. Weston. Biological Treatment of Sewage and Industrial Wastes, vol. 1, p 18, 1956.

- W.W. Eckenfelder, O’Connor. Biological Wastes Treatment, 1961.

- « Modélisation déterministe des boues activées et méthodes de dimensionnement classiques ». L. Pellas, E. Beutler, P. Gilles. T.S.M., n° 9, 1995.