Le procédé Rhyzophyte, est une filière de traitement des boues fiable et simple, conjuguant les fonctions d'épaississement, de stabilisation et de stockage. Sa très bonne conductivité hydraulique permet un épaississement rapide. Grâce à la bonne aération au sein même du Rhyzophyte, une forte activité bactérienne se développe conduisant à minéraliser la boue. Elle garantit aussi des percolats de bonne qualité ce qui limite les risques de moussage sur la station, et explique l'absence de dégagement de mauvaises odeurs. Les boues stockées sur plusieurs années sont ensuite utilisées en agriculture.
Le procédé Rhizophyte est une filière de traitement des boues fiable et simple, conjuguant les fonctions d’épaississement, de stabilisation et de stockage. Sa très bonne conductivité hydraulique permet un épaississement rapide. Grâce à la bonne aération au sein même du Rhizophyte, une forte activité bactérienne se développe conduisant à minéraliser la boue. Elle garantit aussi des percolats de bonne qualité, ce qui limite les risques de moussage sur la station et explique l’absence de dégagement de mauvaises odeurs. Les boues stockées sur plusieurs années sont ensuite utilisées en agriculture.
Le procédé Rhizophyte a été conçu pour répondre aux difficultés de gestion des boues provenant de stations d’épuration de type boues activées à aération prolongée. Les problèmes rencontrés sur les filières habituelles de traitement des boues (filières inexistantes, inadaptées ou sous-dimensionnées) aboutissent souvent à une détérioration de la qualité de l’eau traitée. L’augmentation des concentrations dans les bassins favorise l’apparition du moussage et conduit à l’élévation de l’indice de boues.
Les bonnes pratiques de la valorisation agricole et les réglementations plus sévères qui se mettent en place limitent les
périodes où l’épandage est possible dans de bonnes conditions. Selon le contexte local, la construction d’ouvrages permettant le stockage pour une durée de 9 mois devient nécessaire.
Développé par SAUR en collaboration avec le CEMAGREF au début des années 1990, le procédé Rhizophyte® permet de répondre à ces problèmes de gestion des boues. Il conjugue les fonctions d’épaississement, de stabilisation et de stockage des boues. Fiable et simple d'utilisation, il garantit la régularité des extractions et le maintien dans les bassins de la concentration en boues adaptée à la charge polluante en entrée de station.
Description du procédé Rhizophyte®
La technologie Rhizophyte® fait partie de la famille des procédés d’infiltration-percolation sur massif filtrant planté de roseaux, déjà utilisés dans le domaine du traitement des eaux usées de petites collectivités. Le massif filtrant repose sur un plancher aéré qui permet, pendant la phase d’égouttage et d’épaississement de la boue, la collecte de l'eau interstitielle. Le massif filtrant en tant que tel est constitué de couches successives de sables de granulométrie adaptée (fig. 2) dans lesquelles sont plantés directement les roseaux.
Un radier étanche assure la collecte des percolats qui sont renvoyés en tête de station pour éviter toute pollution du milieu naturel. Les parois latérales garantissent l’étanchéité.
Le choix de la nature et de la qualité des matériaux filtrants est primordial. Il faut proscrire tout ce qui pourrait conduire à un colmatage et limiterait les performances hydrauliques du système.
L’aération est un point sensible du procédé Rhizophyte®. C’est elle qui garantit la bonne pousse des roseaux et le maintien de conditions d’oxydo-réduction satisfaisantes dans les boues accumulées. C'est aussi un facteur primordial pour garantir l’obtention de percolats aérobies, c'est-à-dire de bonne qualité. La ventilation est assurée par l'installation de cheminées d'aération et par le plancher aéré.
Emplacement dans la filière
Contrairement aux filières habituelles, les boues ne sont pas extraites du clarificateur, mais directement du bassin d’aération à l’aide d'une pompe (fig. 3). Elles sont amenées par couches successives en surface du lit, selon des cycles alternant les périodes d’alimentation et les périodes de repos. Le très bon comportement hydraulique des Rhizophytes® garantit un écoulement de l’eau interstitielle très rapide, de l’ordre de la journée. La faible concentration des boues n'est donc pas un handicap, au contraire même. En effet, pour une même quantité de boues à extraire, leur volume sera d’autant plus important que la concentration est faible ; c'est ce qui permet l’obtention d'une couche de boues d'épaisseur homogène sur toute la surface du lit.
Comme dans tous les procédés où alternent période d’alimentation et période de drainage, il faut disposer au minimum de deux Rhizophytes® sur un site, l'un étant en cours d'utilisation alors que l'autre est au repos, et inversement.
Le rôle des roseaux
La présence de roseaux dans le massif filtrant constitue une des originalités du procédé Rhizophyte®. Les roseaux sont des plantes rustiques, présentes sur la quasi-totalité de la surface de notre planète. Ils résistent aux conditions de gel intense que l'on peut rencontrer par exemple en Sibérie. Seule une sécheresse intense nuit à leur bon développement.
Les roseaux développent un système racinaire très dense, la Rhizosphère, qui constitue un véritable réseau de drainage. L’eau peut circuler très vite le long de ces racines ; les boues s'égouttent alors rapidement. La présence des tiges verticales favorise par ailleurs la pénétration de l'eau dans le massif, lorsque les niveaux de surface deviennent colmatants.
Plante aquatique, les roseaux absorbent de grandes quantités d’eau par l'intermédiaire de la Rhizosphère. Elle circule à travers toute la plante vers les parties aériennes dans un tissu appelé Xylème. Elle est ensuite évacuée par évapotranspiration. En période végétative, la transpiration des roseaux est environ deux fois plus importante que celle d'une surface d'eau libre équivalente. Reinhofer et
Bergholz, étudiant l’élimination des eaux apportées par les boues et par les précipitations sur ce type de procédé, estime que 46 % partent par le drainage, 39 % par l’évapotranspiration, les derniers 15 % restant dans les boues.
Par leur système aérien, les roseaux peuvent absorber de l’oxygène. Il circule à travers les roseaux dans un tissu creux spécifique appelé Aérenchymes. L’oxygène excrété au niveau des racines facilite la respiration des racines, permet le développement d’une vie biologique intense à leur proximité, favorise l’oxydation des substances réductrices présentes dans l’environnement anoxique où poussent les roseaux, ou de toutes autres substances provenant d’une activité microbienne anoxique. Cet apport en oxygène limite aussi l’apparition de zones anaérobies importantes, sources de fermentation et de dégagement de mauvaises odeurs. Les processus bactériens favorisent la minéralisation et la stabilisation des boues extraites de la station d’épuration.
Les roseaux étant des plantes annuelles, le dimensionnement des ouvrages est calculé sur la charge limitante hivernale. Les parties aériennes se développent au printemps et atteignent très rapidement une hauteur conséquente, de l’ordre de 2 mètres. Les tiges flétrissent à l’automne, mais restent en place dans le lit, évitant la formation d’une couche de surface peu perméable qui limite la circulation de l’eau.
Sur les installations existantes, aucun faucardage en fin de période végétative n’a été pratiqué. Les parties aériennes sèchent sur pied. Celles qui tombent ou qui se couchent sont dégradées par les bactéries et ne seront pas retrouvées lors de la vidange.
Vitesse d’élévation du niveau de boues
Elle est bien entendu d’autant plus importante que la quantité de boues apportée est grande.
Pour des apports identiques sur toute l’année, les variations saisonnières peuvent être sensibles. Le niveau de boues s’élève plus rapidement en hiver : les conditions d’évapotranspiration sont moins favorables, les parties aériennes des roseaux sont flétries. La capacité de drainage du système racinaire demeure cependant entière. Pour éviter une élévation trop rapide du niveau de boues qui pourrait nuire à la reprise des nouvelles pousses au printemps, le dimensionnement du procédé Rhizophyte doit donc tenir compte de la charge limite acceptable en hiver.
Autre facteur affectant la vitesse d’élévation du niveau de boues, l’âge des roseaux.
En effet, leur capacité de drainage dépend de la densité du système racinaire. Il faut une ou deux années pour que la Rhizosphère atteigne une maturité suffisante. L’augmentation du nombre de racines permet aussi une meilleure oxygénation du lit, elle favorise l’activité bactérienne. L’élévation du niveau de boues peut donc être un peu plus rapide la première année après le lancement, sans pour autant nuire à son bon fonctionnement.
Autonomie des Rhizophytes®
Grâce à sa capacité de drainage importante, les Rhizophytes® reçoivent des couches successives de boues. Les roseaux suivent l’élévation du niveau dans le lit. La durée d’autonomie des lits entre deux vidanges ne dépend que de la hauteur de paroi droite de l’ouvrage et de la quantité de boues extraites. Pour les installations actuellement existantes, à charge nominale, elle est de l'ordre de 5 ans. La fréquence d’évacuation des boues est donc très fortement réduite comparativement aux filières de traitement des boues classiques que l'on rencontre habituellement sur les stations de petites collectivités (silos, lits de séchage...).
Vitesse d’écoulement des percolats
La vitesse de circulation des percolats à travers le massif filtrant est très rapide. La figure 5 présente les résultats obtenus sur le site d’Alba La Romaine au printemps 1997.
Les vitesses initiales d’écoulement de l'eau sont voisines sur les 4 lits, si ce n’est sur le lit n° 2 récemment planté. On observait alors un retard de pousse, correspondant très certainement à une rhizosphère moins dense, et donc à une moins bonne conductivité hydraulique.
La fraction récupérée par rapport au volume extrait pour les lits plantés au mois d’octobre est plus faible que pour les lits plantés en avril. La rhizosphère a eu le temps de se développer. L’évapotranspiration est plus importante. Ce n’est pas le cas du lit 2 où la rhizosphère, étant moins dense, l’évapotranspiration est plus faible.
Ces résultats sont similaires à ceux obtenus sur le site expérimental de Bourg-Argental : une fois les roseaux à maturité, l'essentiel des percolats est récupéré dans les 24 heures suivant l’extraction des boues.
Qualité des percolats
Il est intéressant de les comparer à d'autres types de retour en tête de filières de traitement des boues utilisées sur des stations du même type (tab. I). Les percolats du procédé Rhizophyte® sont aérobies, bien oxygénés. Le potentiel redox est en moyenne de 480 mV EHN. La concentration en MES des percolats est comparable à celle des lits de séchage. Elle est beaucoup plus faible que pour les autres systèmes. De même, la teneur en DCO reste peu importante. La teneur en azote est légèrement élevée : l'activité minéralisatrice des bactéries conduit à une dégradation de l’azote organique, et à un relargage d’ammoniaque.
Dans le temps, on observe des variations des concentrations moyennes des différentes formes de l'azote (fig. 6). Elles reflètent des modifications dans l’activité minéralisatrice au sein du lit. Les concentrations sont très faibles en octobre 91 alors que le lit vient juste d’être mis en service. En hiver et au début du printemps, la température est basse, l'activité biologique du roseau faible. La minéralisation est alors moins importante, les concentrations en azote sont moins élevées.
Sur des installations où la rhizosphère est à maturité, les concentrations des différentes formes d’azote évoluent au cours de la percolation (fig. 7). Dans le premier flot, la concentration en nitrate est élevée : les
Tableau II : caractéristiques des boues extraites du procédé Rhizophyte®
| Paramètres | Bourg-Argental (déc. 91) | Lesperon (juil. 95) | Boues activées filière liquide | Rappel normes NF U 44-041 |
|---|---|---|---|---|
| Siccité (%) | 10 à 12 | 13 à 15 | 2 à 3 | – |
| Matières organiques (% MS) | 57 à 65 | 60 à 70 | 70 à 75 | – |
| Matières minérales (% MS) | 35 à 43 | 30 à 40 | 25 à 30 | – |
| pH | 6,7 à 7,5 | 6,3 à 7,6 | 7 à 7,5 | – |
| Azote Kjeldahl (N) (% MS) | 5,4 à 6,7 | 5,4 à 6,5 | 3 à 7 | – |
| Azote ammoniacal (N) (% MS) | 0,4 à 0,6 | 0,5 à 0,6 | – | – |
| Phosphore total (P₂O₅) (% MS) | 1,3 à 1,9 | 3,5 à 4,5 | 1 à 7 | – |
| Calcium (CaO) (% MS) | 4 à 6 | 6 à 7 | 4 à 8 | – |
| Magnésium (MgO) (% MS) | 0,4 à 0,5 | 0,5 à 0,7 | 0,6 à 5 | – |
| Potassium (K₂O) (% MS) | 0,1 à 0,2 | 0,1 à 0,3 | 0,2 à 0,3 | – |
| Fer (Fe) (ppm MS) | 2 900 à 3 500 | 4 500 à 7 300 | 3 000 à 8 000 | – |
| Manganèse (Mn) (ppm MS) | 85 à 105 | 170 à 200 | 70 à 205 | – |
| Cuivre (Cu) (ppm MS) | 320 à 500 | – | – | 1 000 |
| Zinc (Zn) (ppm MS) | 900 à 1 200 | – | – | 3 000 |
| Cadmium (Cd) (ppm MS) | 5 à 10 | – | – | 20 |
| Chrome (Cr) (ppm MS) | 10 à 12 | – | – | 200 |
| Nickel (Ni) (ppm MS) | 30 à 26 | – | – | 200 |
| Plomb (Pb) (ppm MS) | 50 à 70 | – | – | 800 |
| Mercure (Hg) (ppm MS) | – | – | – | 10 |
| Cr + Ni + Cu + Zn (ppm MS) | 680 à 1 450 | 500 à 2 600 | – | 4 000 |
Les nitrates accumulés dans les couches basses aérées pendant la période de repos sont lessivés. Très vite, la concentration en ammoniac augmente alors que celle en nitrates devient très faible. L’ammoniaque provient de la minéralisation de la boue. Lorsque la vitesse de circulation des percolats diminue, la concentration en nitrates augmente. C’est l’indice de la présence d’une faune nitrifiante dans le massif filtrant. En début d’écoulement, le débit d’infiltration est trop important, et le temps de contact trop bref pour que la nitrification puisse avoir lieu. En fin d’écoulement, les conditions redeviennent favorables à la nitrification.
Importance des retours en tête
Sur le site d’Alba, l’importance de la surcharge polluante occasionnée par les retours en tête des percolats a été estimée par comparaison à la charge en entrée de station. La surcharge en MES, DBO₅ et DCO peut être négligée. La surcharge en azote est de l’ordre de 3 %. Elle est un peu plus élevée en ce qui concerne le phosphore. Les lits d’Alba n’étant pas encore à maturité, il existe au sein de la masse de boue des zones à faible potentiel redox où une fraction de phosphore est très certainement relarguée.
Qualité et devenir des boues des Rhizophytes®
La vidange se fait sans séparation des différentes fractions : boues, rhizomes et parties végétatives et sans faucardage des boues. Cette séparation des différentes fractions serait difficile et ne présente aucun intérêt. À partir d’hypothèses sur la production de biomasse et la quantité de boues accumulée, la masse de roseaux estimée dans le produit évacué varie entre 1 % et 5 % en fonction des hypothèses.
La qualité des boues extraites provenant des Rhizophytes® est comparable à celle obtenue habituellement pour des stations de type boues activées aération prolongée (tableau II). L’activité des bactéries de la rhizosphère aboutit à une minéralisation importante de la boue. Le produit extrait des lits est constitué d’un mélange de boues, de racines et de parties aériennes.
La siccité finale dépendra de la saison choisie pour la vidange et du temps écoulé depuis l’extraction précédente. Dans de mauvaises conditions, c’est-à-dire au mois de décembre et moins de huit jours après le dernier apport de boues, la siccité des boues extraites sur le site de Bourg-Argental était de l’ordre de 10 %. La vidange du site de Lesperon, l’été 95, a permis d’atteindre une siccité de 15 %.
La période favorable à la vidange des Rhizophytes® s’étend du printemps à l’été. Il est préférable d’éviter l’automne et l’hiver afin de permettre un bon enracinement des nouveaux roseaux. Dans le cas d’une valorisation agricole, la date sera choisie en tenant compte des périodes favorables à l’épandage. Le risque de reprise des roseaux est moins important en été.
Tableau III : liste des références du procédé Rhizophyte®
| Commune | Dépt | Année de construction | Capacité nominale station (EH) |
|---|---|---|---|
| BOURG-ARGENTAL | 42 | 1989 | 5 000 |
| LESPERON | 40 | 1990 | 1 200 |
| ARTHÈZ-DE-BÉARN | 64 | 1994 | 2 000 |
| EYSUS | 64 | 1994 | 800 |
| ALBA-LA-ROMAINE | 07 | 1995 | 1 500 |
| BALLOTS | 53 | 1995 | 1 500 |
| GRENADE | 40 | 1995 | 3 000 |
| ILLATS | 33 | 1995 | 3 000 |
| PUECHÉRIC | 11 | 1995 | 1 300 |
| SAINT-VICTURIEN | 87 | 1995 | 1 200 |
| BORDES | 64 | 1996 | 3 000 |
| INDRET (DCN) | 44 | 1996 | 1 000 |
| LA BACONNIÈRE | 53 | 1996 | 1 200 |
| LATOUR-DE-FRANCE | 66 | 1996 | 2 000 |
| PLOUZÉVÉDÉ | 29 | 1996 | 1 200 / 600 |
| SAINT-HERMINE | 85 | 1996 | 2 250 |
| SEGRÉ (industriel) | 49 | 1996 | 6 000 |
| TOUVÉRAC-SAINT-BERNARD | 16 | 1996 | 900 |
| VERN-SUR-SEICHE | 35 | 1996 | 900 |
| BEAULIEU-SUR-LAYON | 49 | janv. 1997 | 1 200 |
| FLASSANS-SUR-ISSOLE | 83 | 1997 | 3 000 |
| THAIRE-D’AUNIS | 17 | 1997 | 1 200 |
éviter les zones humides. L’épandage peut se faire à l'aide d'un épandeur à fumier. Moyennant les précautions habituelles pour la valorisation, les différentes vidanges effectuées sur les Rhizophytes® en service n’ont montré aucun phénomène de reprise des rhizomes.
Une étude de valorisation agricole est en cours sur le site de Lesperon (SAUR, chambres d’agriculture des Landes et de la Charente-Maritime, Agence de Bassin Adour-Garonne, ADEME...). Elle a pour but de montrer la bonne adaptation des boues à une valorisation agricole.
Il est aussi possible d’admettre les boues extraites sur une plate-forme de compostage ou en incinération.
Pour garantir une bonne reprise des roseaux après extraction, il est préférable de ne pas vidanger la totalité des Rhizophytes® d’une station la même année.
Pertes de matières
Les comparaisons faites sur les Rhizophytes de Bourg-Argental et de Lesperon entre les quantités de matières apportées et extraites montrent des pertes en matières sèches variant entre 25 et 30 %.
Ce phénomène confirme l’activité minéralisatrice des bactéries dans le lit. Des pertes identiques en azote ou phosphore sont aussi mesurées.
Conclusion
Conçu pour le traitement des boues issues de station d’épuration à boues activées fonctionnant en aération prolongée, le procédé Rhizophyte® conjugue les fonctions d’épaississement, de stabilisation et de stockage. L’automatisation des extractions de boues et sa capacité de stockage pluriannuelle permettent de garantir une teneur en MES optimale dans la station et de limiter les risques de dégradation de l’eau traitée en sortie de station. La fréquence et le coût liés à l’évacuation des boues hors du site sont donc aussi réduits.
La présence du plancher filtrant et l’activité des roseaux permettent une bonne oxygénation des boues stockées et évitent le développement de conditions anaérobies : les Rhizophytes® ne génèrent donc pas de mauvaises odeurs, les percolats collectés sont de bonne qualité.
La présence des roseaux assure une très bonne conductivité hydraulique : les eaux circulent rapidement à travers le massif, celles provenant des boues qui s’épaississent, comme celles dues à la pluviométrie.
Rustique et simple d’utilisation, les tâches d’exploitation sont facilitées : il suffit de régler les fréquences de fonctionnement des pompes d’extraction et de choisir le lit à alimenter.
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