Traitement à la chaux des matières de vidange d'origine domestique

P. MARCHANDISE, G. FRIANT, L. DIVET, L. VANDERBEKE

Laboratoire Central des Ponts et Chaussées

Dans certaines régions, les habitations possèdent des fosses fixes dans lesquelles sont stockées les matières fécales avant d’être vidangées ; d’autre part, l’entretien des fosses septiques nécessite une évacuation régulière des matières accumulées. Ces résidus constituent les matières de vidange d’origine domestique. Leurs destinations sont diverses ; on peut citer :

• — les décharges, mais leur teneur en eau importante et les risques de pollution des nappes aquifères posent un problème ;
• — l’épandage agricole, mais ce moyen qui n’est pas utilisable en toute saison est peu satisfaisant du point de vue de l’hygiène ;
• — le compostage avec les ordures ménagères, mais les fortes teneurs en eau et les problèmes d’hygiène y sont un obstacle ;
• — le traitement en station d’épuration des eaux usées ; c’est la méthode la plus satisfaisante, à condition cependant que la station d’épuration ait été conçue pour ce traitement. Toutefois cette méthode est très coûteuse du fait de l’augmentation des frais de fonctionnement de la station : électricité, conditionnement et élimination des boues supplémentaires ; par ailleurs, elle n’est pas sans poser quelques problèmes spécifiques dus aux teneurs en ammoniaque de ces effluents.

Des études antérieures ont défini les conditions d’apports de matières de vidange dans diverses filières ; celle impliquant un traitement physico-chimique donne des résultats intéressants, nous avons poursuivi cette expérimentation en laboratoire et sur le terrain afin de préciser :

• — les possibilités de floculation des matières de vidange par la chaux seule,
• — la filtrabilité des boues formées,
• — les possibilités de valorisation de ces boues,
• — le traitement du surnageant de floculation.

Cet article présente les résultats obtenus.

CARACTÉRISATION DES MATIÈRES DE VIDANGE

Les matières de vidange étudiées ont été prélevées lors des apports effectués par les entreprises spécialisées à l’entrée des stations de Nantes Sud, et d’Hénin-Beaumont. Les caractéristiques de ces échantillons mesurées en termes classiques de pollution (DCO et MES sur échantillons bruts (DCOb — MESb) ou décantés une demi-heure (DCOd — MESd), sont différentes suivant leur origine comme le traduit le tableau 1.

ESSAIS EN LABORATOIRE DU TRAITEMENT À LA CHAUX DES MATIÈRES DE VIDANGE

Des essais en laboratoire ont été réalisés sur les matières de vidange de Nantes, afin de déterminer les doses de chaux et de divers additifs à utiliser pour obtenir leur floculation.

Les boues et les surnageants obtenus ont été caractérisés en vue de déterminer les traitements à leur appliquer.

Essais de floculation.

La méthodologie des essais est la suivante : remplir 6 béchers d’un litre de matières de vidange, ajouter le floculant en agitant à 180 tours/min pendant 2 min, ajouter éventuellement l’additif et agiter à 80 tours/min pendant 20 min, laisser décanter pendant 30 min.

Les DCO et MES sont effectuées sur les matières de vidange brutes mixées afin d’avoir un échantillon homogène, sur les surnageants décantés une demi-heure.

heure d’une part sans floculant et d’autre part avec des quantités variables de floculant.

Les matières de vidange ont d’abord été traitées par 10 g/l de chaux plus divers polymères à différentes concentrations. Les rendements en DCO et MES ne sont pas améliorés avec l’ajout de polymère ; par contre la filtrabilité des boues est meilleure.

Le chlorure ferrique a également été testé comme additif de floculation. Celui-ci a été ajouté soit en même temps que la chaux, soit sur le surnageant obtenu après traitement à la chaux. Dans les deux cas, aucune amélioration notable n’a été constatée.

Une floculation au chlorure ferrique seul ou avec polymère n’a pas donné de meilleurs résultats.

Les essais ont donc été poursuivis avec différentes concentrations de chaux seule. Le rendement semble maximum à partir d’une concentration de l’ordre de 30 g/l (tableau 2). La floculation avec 30 g/l de chaux seule a en effet permis d’obtenir en laboratoire une élimination par rapport à la pollution brute initiale :

• — de l’ordre de 99 % pour les MES,
• — comprise entre :
•  71 et 91 % pour la DCO,
•  20 et 60 % pour l’azote total Kjeldahl — N —,
•  15 et 50 % pour l’azote ammoniacal — N —,
•  78 et 99 % pour l’azote organique — N —,
•  99 et 99,7 % pour les phosphates — P —.

La figure 1 représente les courbes de rendements obtenues à partir de l’exploitation statistique des résultats d’expérimentation de laboratoire et sur le terrain. Celles-ci confirment que les rendements, comme cela a déjà été observé lors d’études antérieures, varient en fonction de la dose de chaux et de la pollution brute. Ainsi, pour une pollution brute décantée inférieure à 15 000 mg/l exprimée en DCO, une dose de 30 g/l de chaux permet d’atteindre une élimination de 60 à 70 % de cette DCO. Pour des pollutions plus importantes, le rendement baisse de 10 % ; une dose de chaux plus faible fait diminuer rapidement les rendements et une dose plus importante n’améliore pas sensiblement le traitement.

Eau surnageante.

Ses caractéristiques sont les suivantes :

• — DCO comprise entre 1 500 mg/l et 5 200 mg/l
• — MES comprises entre 10 mg/l et 110 mg/l
• — NTK-N » 700 mg/l et 1 500 mg/l
• — NH3-N » 700 mg/l et 1 500 mg/l
• — N org » 10 mg/l et 60 mg/l
• — PO4-P » 1 mg/l et 11 mg/l

On peut constater que la pollution résiduelle est essentiellement dissoute. Exprimée en DCO, sa concentration importante doit être acceptable sur un grand nombre de stations d’épuration françaises qui reçoivent généralement des eaux faiblement chargées. La concentration en ammoniac est également très importante mais le pH auquel se trouve le surnageant est très favorable à son élimination. Ainsi les cinétiques d’élimination de l’ammoniac, représentées par la réaction du 1er ordre C = C₀ e⁻ᵏᵗ, sont les suivantes (figure 2) :

Co = concentration initiale t = temps en jours k = 0,58/jour sans bullage à 20 °C (évolution assimilée à un lagunage naturel) k = 1,53/jour avec bullage dans un bécher, 20 °C

Par lagunage naturel, on a donc une élimination de près de 60 % de l’ammoniac en 48 heures. Le pH est resté de l’ordre de 12,5. Avec bullage, on a obtenu en 24 heures près de 80 % d’élimination de l’ammoniac et le pH est tombé à 8,4 du fait de la récarbonatation.

Des études complémentaires sur la cinétique d’élimination de l’ammoniac sont en cours.

Les matières floculées.

Le volume des boues produites et la concentration initiale en matières en suspension peuvent être reliés par la relation (figure 3) :

Volume ml = 0,0139 (MES) mg/l + 360 r = 0,79

La concentration moyenne en matières sèches est de 76 g/l σ = 14 g/l.

De telles valeurs permettent d’envisager un traitement de déshydratation. Les capacités de déshydratation de ces boues ont donc été évaluées en laboratoire par la mesure de la résistance spécifique à la filtration (R.S.F.)

Celle-ci est de l’ordre de 10¹² mg/kg, ce qui représente des boues facilement déshydratables. Des ajouts de polymères permettent de diviser cette valeur par 3 ou 5.

Ces boues sont faiblement compressibles (S = 0,53). On peut considérer que les flocs ont une bonne cohésion et une bonne résistance mécanique à l’écrasement ; elles doivent donc filtrer aisément. La chaux ayant servi à la floculation sert également de conditionnement chimique minéral et évite ainsi les difficultés fréquemment rencontrées avec les conditionnements par polyélectrolytes (collage des gâteaux).

La siccité limite obtenue à 0,5 bar est de 35 %.

ESSAIS SUR STATION D’ÉPURATION PILOTE DE TAILLE SEMI-INDUSTRIELLE

Description de la station pilote.

La station pilote a été installée dans l’enceinte de la station d’épuration d’Hénin-Beaumont (Pas-de-Calais). Cette station traite actuellement (extension en cours) les eaux de 50 000 eq./ha. Elle présente l’avantage de recevoir régulièrement des matières de vidange et d’être équipée d’un filtre-presse pour le traitement des boues.

La station pilote était constituée de quatre bacs :

• — deux bacs de 4 m³ servant à la floculation et au stockage des boues floculées, l’un des deux bacs étant équipé d’un système d’agitation ;
• — un bac de 500 l pour la fabrication du lait de chaux ;
• — un bac de 250 l pour la mise en solution du polymère de conditionnement des boues.

Deux pompes étaient utilisées pour le transfert des boues d’un bac à l’autre vers le filtre-presse et pour le pompage des réactifs de floculation et de conditionnement.

Réalisation des essais.

Les matières de vidange étaient floculées par un lait de chaux au dosage de 30 g/l de matières de vidange, déterminé lors des essais en laboratoire. Le lait de chaux était préparé dans le bac de 500 litres à raison de 200 g/l. Les essais étaient réalisés de la façon suivante :

• — remplissage gravitaire, à partir d’un camion de matières de vidange, du premier bac équipé de l’agitateur. Le volume de matières de vidange traité était à chaque fois de 3 m³ ;

— ajout du lait de chaux préalablement préparé à raison de 30 grammes de chaux par litre de matières de vidange ;

— agitation des matières de vidange et lait de chaux pendant 20 minutes à la vitesse de 80 T/mn ;

— décantation des matières de vidange floculées pendant 2 heures ;

— pompage du surnageant et rejet en tête de station d'épuration ;

— transfert de la boue floculée vers le deuxième bac.

Ce processus était réalisé deux fois, puis les boues des deux floculations étaient envoyées sur filtre-presse, après contrôle du temps de succion capillaire et de conditionnement éventuel du polymère. La capacité du filtre-presse, en raison de la teneur en matières sèches des boues, a été calculée pour 15 m³ de boues humides, à 80 g/l de matières sèches. Comme floculation le volume de boues produit était d’environ 1,5 m³, il était nécessaire de réaliser de 9 à 10 floculations avant de remplir le filtre-presse dont le remplissage était indispensable pour la mise en pression. La filtration était satisfaisante lorsque la pression de refoulement sur le filtre atteignait 15 bars.

Présentation des résultats et discussion.

Trois essais de filtration ont été réalisés sur chacune des trois séries d’essais de floculation, les analyses suivantes étant pratiquées sur chaque essai de floculation :

— MES et DCO sur matière de vidange, sur surnageant et sur jus de filtration ;

— teneur en matières sèches des boues floculées.

Les résultats sont présentés figure 4. On constate que pour 90 % des essais, le rendement d’élimination des MES est supérieur à 90 %; il est même supérieur à 99 % pour la 3ᵉ série d’essais ; cela est dû au fait que, pour les deux premières séries, notre technique de prélèvement des échantillons de liquide surnageant n’était pas satisfaisante, car nous prélevions en même temps, en surface, des flottants que nous ne pouvions éliminer. Pour la 3ᵉ série, nous avons mis au point une technique de prélèvement par bouteille que nous ouvrions à une dizaine de centimètres de profondeur.

Les résultats sont sensiblement moins bons que ceux obtenus en laboratoire. Néanmoins, les eaux surnageantes présentent une concentration en DCO moyenne de 5 800 mg/l et, pour 80 % d’entre elles, la concentration en MES est inférieure à 400 mg/l.

Traitement des boues.

Le volume de boues obtenues lors de chaque floculation est d’environ 1,5 m³, soit 15 m³ pour les dix essais de floculation, quantité représentant 1 125 kg de matières sèches (soit environ la capacité du filtre-presse pour des boues filtrées à 50 % d’eau). Ce volume a été filtré jusqu’à une pression de 15 bars, sans conditionnement au polymère (sauf pour le premier essai). Nous avons ensuite abandonné ce conditionnement, la filtrabilité étant satisfaisante sans ajout de polymère.

Le jus de filtration a été recueilli et analysé. Les résultats obtenus étaient en moyenne pour les deux premiers essais (les analyses n’ont pas été effectuées pour le 3ᵉ essai) :

1ᵉʳ essai : MES 140 mg/l ; DCO 4 560 mg/l  
2ᵉ essai : MES  32 mg/l ; DCO 5 480 mg/l

PERSPECTIVES D’UTILISATION DES BOUES DE FLOCULATION

Risques pathogènes.

Le tableau 3 présente les résultats d’analyses bactériologiques pratiquées sur matières de vidange brutes et filtrées après floculation à la chaux.

TABLEAU 3

résultats d’analyses bactériologiques des matières de vidange brutes et filtrées après floculation à la chaux

On constate que les risques pathogènes devraient être réduits car les germes tests de contamination fécale sont détruits lors du traitement à la chaux. Ces résultats sont confirmés par une étude précisant qu’à pH 12 une élimination de 10⁷ coliformes fécaux est obtenue en trois heures.

Risques liés à la présence de métaux lourds.

Des analyses de métaux ont été pratiquées sur un échantillon de matière de vidange brute et sur un échantillon de boue obtenue après floculation avant filtration (tableau 4).

On remarque que les teneurs en métaux sont faibles et inférieures aux limites précisées dans la norme AFNOR U44-041.

Les risques de contamination des sols par les métaux lourds sont donc faibles.

TABLEAU 4Résultats d’analyses des métaux lourds dans une matière de vidange brute et une boue de floculation (les résultats sont exprimés par rapport à la matière sèche).

Valeur agronomique des matières floculées.

Les valeurs agronomiques des matières de vidange brutes ont été estimées sur trois échantillons prélevés dans des camions différents (MV1 – MV2 – MV3), de même que sur les matières floculées à la chaux correspondantes avant (B1 – B2 – B3) et après filtration (BF) (tableau 5).

Les matières de vidange d’origine domestique traitées à la chaux et filtrées comme le compost sont relativement pauvres en éléments minéraux (tableau 6). Elles sont exemptes de germes test et contiennent de faibles teneurs en métaux lourds. Leur utilisation agricole ne devrait donc pas poser de problèmes sanitaires. Leur teneur en calcium aura un effet alcalinisant sur les sols acides et compensera leur acidification due à l’emploi massif d’engrais chimiques. Enfin elles auront l’avantage sur le compost de ne pas contenir de corps étrangers (verre, métal, plastique).

TABLEAU 5Résultats d’analyses des matières de vidange brutes et floculées avant et après filtration (les résultats sont exprimés en % de la matière sèche).

TABLEAU 6Contenu d’une tonne de produit brut

CONCLUSION

Nous avons mis au point une méthode de traitement des matières de vidange d’origine domestique qui donne des résultats intéressants puisqu’elle permet l’élimination de 99 % des matières en suspension, de 85 % des matières organiques tout en augmentant la biodégradabilité de l’effluent surnageant à traiter biologiquement. Les boues produites sont aisément déshydratables sur filtre-presses et valorisables en agriculture.

L’intérêt du procédé serait de mettre au point un véhicule sur lequel serait installé tout le matériel nécessaire au traitement des matières de vidange : floculateur, décanteur, filtre-presse. Ce véhicule permettrait le traitement régulier de matières de vidange déposées dans des cuves installées à proximité de stations d’épuration, notamment sur les petites stations acceptant difficilement les flux polluants introduits par les matières de vidange. Ce véhicule pourrait être commun à un ou plusieurs syndicats de communes exploitant plusieurs petites stations d’épuration.

Nota :

1. Les auteurs remercient MM. Parrisaux et Six de la Chambre d’Agriculture du Nord, de l’aide qu’ils ont bien voulu leur apporter pour l’estimation des valeurs agronomiques des boues, la Société O.T.V. et le District d’Henin Carvin pour leur avoir permis d’effectuer leurs expérimentations en vraie grandeur.

2. La bibliographie sera fournie par les auteurs aux personnes intéressées.