Les essais de traitement à l'échelle d'un pilote réalisé sur le lixiviat du site de Foussais-Payré (85) permettent de fixer les conditions de fonctionnement d'une filière de type " boues activées ". Dans la gamme des charges massiques étudiées, le rendement d'élimination de la DCO atteint 70%, laissant une fraction non biodégradable importante. La nitrification est par contre totale, le résiduel en NH4 étant inférieur à 10 mg N/l.
La percolation des eaux de pluie à travers les déchets d'un centre d'enfouissement technique conduit à la production de lixiviat. En effet, à leur contact, l'eau se charge d'éléments polluants en dissolvant des sels dissous ou des métaux selon les conditions de pH et de potentiel redox du milieu. Elle favorise aussi le développement d'une fermentation anaérobie ainsi que la production de composés organiques, qui sont lessivés et se retrouvent dans les lixiviats. La fermentation conduit à une diminution de la teneur en matière organique, et à terme à la stabilisation du déchet.
Les lixiviats provenant d'un centre d'enfouissement technique d'ordures ménagères récemment ouvert contiennent une grande quantité de pollution organique. Une fraction importante de cette pollution est alors biodégradable (Millot – 1986). Il s'agit de pollution carbonée, et d'azote sous forme réduite (ammoniac et organique). Avec le vieillissement du CET, la pollution organique tend à diminuer, elle devient moins facilement biodégradable.
Cette fraction biodégradable est éliminée dans des filières de traitement biologiques. Le traitement par lagunage aéré est une technique souvent utilisée, mais ses performances dépendent du temps de séjour et de la température. En hiver, le rendement de la dégradation de la pollution carbonée diminue et la nitrification est bloquée. L'utilisation d'une filière à boues activées en aération prolongée permettrait de s'affranchir de ces problèmes.
Les résultats obtenus durant quatre mois d'essais sur un pilote à boues activées sont exposés ci-après.
Présentation du site et du lixiviat
Les lixiviats traités proviennent du site de traitement des ordures ménagères de Foussais-Payré, appartenant au Syndicat mixte du sud-est vendéen pour l'élimination des ordures ménagères, regroupant 46 communes, soit 48 000 habitants, et dont Saur-Coved est l'exploitant. Les ordures ménagères sont traitées dans une usine de broyage-compostage. Le tonnage annuel entrant dans l'usine est de 12 500 t ; 3 750 t, soit 30 % environ, se retrouvent dans les refus qui sont mis dans un CET sur le site même (figure 1). Son étanchement est assuré par des couches argileuses ; exploité en alvéoles, les déchets y sont compactés par un chargeur.
Seule une fraction des lixiviats a pour origine le CET : l'autre source provient du ruissellement des eaux de pluie sur les aires de fermentation des déchets et de maturation du compost. Le suivi mensuel, réalisé sur quatre ans, permet de caractériser le lixiviat (tableau I). La quantité d'acides gras volatils (AGV) a été analysée sur quelques échantillons (tableau II).
L'ensemble des analyses montrent qu'il s'agit d'un lixiviat intermédiaire selon la classification de N. Millot. Le rapport DCO/DBO₅ indique un bon potentiel de biodégradabilité. La fraction de DCO liée aux AGV est variable, mais inférieure à 30 %.
Les essais de biodégradabilité ultime réalisés à plusieurs reprises sur le lixiviat permettent d'estimer le rendement maximum que l'on peut attendre (tableau III).
La fraction de DCO biodégradable du lixiviat est donc de 60 % environ. Les résultats du suivi d'une filière de traitement par lagunage aéré sur le même site pendant quatre ans donnent un abattement moyen sur la DCO du même ordre de grandeur.
Le pilote
Le volume du réacteur est de 40 litres. Il est situé en extérieur, en partie enterré pour bénéficier d'une inertie thermique et protégé pour limiter l'évaporation. La boue activée est aérée en continu à l'aide d'une pompe à air. La concentration en oxygène se maintient au-dessus de 3,0 mg/l. L'aération assure aussi le brassage de la liqueur mixte. Les apports sont séquencés. Le cycle de fonctionnement journalier comporte les opérations suivantes :
- - extraction des boues sans épaississement ;
- - arrêt de l'aération, décantation durant 1 h 30 ;
- - extraction du lixiviat traité ;
- - apport d'une nouvelle quantité de lixiviat ;
- - remise en service de l'aération.
Tableau I
Caractéristiques moyennes du lixiviat (en mg·l⁻¹)
| Éléments | pH | Redox (mV) | DCO | DCO/DBO₅ | NTK | N-NH₄⁺ | Cl⁻ | Fe |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Moyenne | 7,4 | –200 | 5 500 | 3,2 | 440 | 300 | 810 | 17 |
| Minimum | 2 070 | 1,7 | 220 | 100 | 300 | 4 | ||
| Maximum | 9 350 | 4,2 | 500 | 410 | 1 600 | 80 |
* Ajustement du volume de liquide à l’eau claire.
Chaque jour, les paramètres suivants ont été mesurés pour connaître les performances du pilote :
– dans le réacteur : température, oxygène dissous, potentiel Redox, matières sèches,
– sur les lixiviats : DCO, N-NH₄⁺.
Les matières en suspension et les matières volatiles sont mesurées de façon hebdomadaire.
Caractéristiques moyennes du lixiviat traité
Elles figurent sur le tableau IV.
Le jus brut était prélevé deux fois par semaine dans la lagune-tampon de l’usine pour être introduit dans le pilote. Les concentrations en DCO et ammoniac ont fluctué au cours des essais, avec une légère tendance à la décroissance dans le temps. La quantité de lixiviat introduite était calculée en fonction de la teneur en DCO brute mesurée la veille, pour se maintenir à la charge désirée.
Les essais se sont déroulés sur quatre mois et demi et les charges appliquées ont varié dans le temps. Les difficultés de mise en régime ont conduit à diminuer la charge initiale (période 1), avant son rétablissement progressif.
Pour ensemencer le pilote en biomasse, un apport de boues activées provenant d’une petite station fonctionnant en aération prolongée avec nitrification-dénitrification a été réalisé lors du démarrage du pilote.
Les paramètres du type « temps de séjour » ou « charges » peuvent être calculés de deux façons, le pilote ayant été alimenté uniquement les jours ouvrables. En ne tenant compte que des jours d’alimentation, on obtient une charge ponctuelle (valeurs appliquées). Les valeurs sont moindres si la durée totale de la période est prise en compte (valeurs moyennes).
Les charges volumiques appliquées varient de 0,24 à 1,00 kg DCO·m⁻³·j⁻¹, les charges massiques de 0,15 à 0,34 kg DCO·kg⁻¹ MVS·j⁻¹. En considérant un rapport moyen DCO/DBO₅ de 2,7, cela correspond à des charges massiques variant de 0,06 à 0,13 kg DBO₅·kg⁻¹ MVS·j⁻¹, caractéristiques de l’aération prolongée. Les temps de séjour sont élevés en raison de la concentration importante du jus à traiter et, dans tous les cas, supérieurs à trois jours (tableau V).
Élimination de la pollution carbonée
En dehors de la période 1 qui correspond au démarrage du réacteur, les rendements moyens en DCO sont toujours supérieurs à 70 %. Pendant les périodes 4 et 5, la réduction de la DCO atteint 76 %, malgré une augmentation de la charge appliquée qui passe de 0,15 à 0,33 kg DCO·kg⁻¹ MVS·j⁻¹ et une réduction du temps de séjour. La valeur résiduelle est inférieure à 1 g·l⁻¹. La qualité du traitement se dégrade un peu avec l’augmentation de la charge pendant les périodes 6 et 7 : le rendement passe à 70 %; la concentration en DCO résiduelle atteint 1 375 mg·l⁻¹ au cours de la période 7, parallèlement à une augmentation sensible de la pollution en entrée. La période 8, malgré une charge appliquée encore plus importante (0,58 kg DCO·kg⁻¹ MVS), présente de bons résultats : rendement de 76 %, DCO résiduelle de 915 mg·l⁻¹.
Durant les dix premiers jours d’essais, la DCO du surnageant augmente régulièrement.
Tableau II
Teneur en AGV du lixiviat (en mg·l⁻¹)
| AGV | Juin 91 | Juillet 92 |
|---|---|---|
| acétique | 740 | 798 |
| propionique | 410 | 402 |
| n-butyrique | 35 | 16 |
| iso-butyrique | 90 | 18 |
| n-valérique | 38 | 32 |
| iso-valérique | 70 | 31 |
| DCO totale | 3 760 | 5 240 |
| DCO AGV théorique (fraction) | 1 070 (28 %) | 800 (15 %) |
Tableau III
Biodégradabilité du lixiviat
| Date | DCO initiale (mg·l⁻¹) | DCO résiduelle (mg·l⁻¹) | Fraction biodégradable |
|---|---|---|---|
| Juin 1990 | 2 340 | 1 000 | 57 % |
| Juillet 1990 | 2 200 | 900 | 59 % |
| Juin 1991 | 3 000 | 980 | 67 % |
| Août 1992 | 3 520 | 1 300 | 63 % |
Tableau IV
Caractéristiques principales du lixiviat brut
| Éléments | Moyenne | Min. | Max. |
|---|---|---|---|
| DCO (mg·l⁻¹) | 4 200 | 2 800 | 5 400 |
| N-NH₄⁺ (mg·l⁻¹) | 1 980 | 1 200 | 3 100 |
Tableau V
Les différentes périodes d’essais
| Périodes | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Températures moyennes (°C) | 15 | 16 | 17 | 18 | 21 | 23 | 23 | 24 |
| Valeurs appliquées | ||||||||
| Temps de séjour (j) | 6 | 17 | 13 | 18 | 5 | 5 | 3 | 3 |
| Charge volumique (kg DCO·m⁻³·j⁻¹) | 0,02 | 0,3 | 0,2 | 0,5 | 0,7 | 0,9 | 1,0 | — |
| Charge massique (kg DCO·kg⁻¹ MVS·j⁻¹) | 0,06 | 0,1 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,5 | 0,6 | 0,58 |
| Valeurs moyennes | ||||||||
| Temps de séjour (j) | 9 | 26 | 23 | 25 | 8 | 9 | 7 | 4 |
| Charge volumique (kg DCO·m⁻³·j⁻¹) | 0,06 | 0,1 | 0,1 | 0,5 | 0,4 | 0,5 | 0,5 | 0,8 |
| Charge massique (kg DCO·kg⁻¹ MVS·j⁻¹) | 0,09 | 0,2 | 0,1 | 0,3 | 0,2 | 0,4 | 0,4 | 0,6 |
Tableau VI
Élimination de la pollution carbonée selon les différentes périodes.
| Période | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Temps de séjour | 6 | 17 | 13 | 18 | 8 | 5 | 5 | 3 |
| Charge appliquée (kg DCO·kg⁻¹ MVS) | 0,61 | 0,18 | 0,17 | 0,15 | 0,33 | 0,40 | 0,56 | 0,58 |
| DCO initiale (g·L⁻¹) | 4 600 | 4 630 | 4 165 | 3 910 | 4 170 | 3 815 | 4 520 | 3 810 |
| DCO finale (mg·L⁻¹) | 1 770 | 1 270 | 1 160 | 925 | 990 | 1 135 | 1 370 | 915 |
| Rendement sur la DCO | 62 % | 73 % | 72 % | 76 % | 76 % | 70 % | 70 % | 76 % |
Tableau VII
Élimination de l'ammoniac selon les périodes.
| Période | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Charge appliquée (kg DCO·kg⁻¹ MVS) | 0,18 | 0,17 | 0,15 | 0,33 | 0,40 | 0,56 | 0,58 |
| MVS moyen dans le réacteur (g·L⁻¹) | 1,75 | 1,60 | 1,40 | 1,50 | 1,85 | 1,90 | 1,94 |
| N-NH₄⁺ entrée (mg·L⁻¹) | 315 | 295 | 280 | 310 | 315 | 250 | 210 |
| N-NH₄⁺ sortie (mg·L⁻¹) | 150 | 45 | 10 | 10 | 15 | 5 | 5 |
| N-NH₄⁺ assimilé (mg·L⁻¹·j⁻¹) | 90 | 75 | 90 | 90 | 75 | 85 | 65 |
| N-NH₄⁺ nitrifié (mg·NH₄⁺·L⁻¹·j⁻¹) | 75 | 175 | 180 | 210 | 225 | 180 | 140 |
| N-NH₄⁺ nitrifié (g N·g⁻¹ MVS·j⁻¹) | 0,05 | 0,11 | 0,13 | 0,14 | 0,12 | 0,08 | 0,07 |
Tableau VIII
Cinétique de nitrification.
| Périodes | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Température (°C) | 16 | 16 | 18 | 21 | 23 | 23 | 24 |
| Charge appliquée (g N·g⁻¹ MVS) | 0,01 | 0,01 | 0,01 | 0,02 | 0,03 | 0,03 | 0,03 |
| Âge des boues calculé (j) | 45 | 39 | 54 | 41 | 33 | 27 | 29 |
| N-NH₄⁺ nitrifié (mg N·g⁻¹ MVS·j⁻¹) | 3,3 | 9,0 | 6,8 | 17,2 | 23,2 | 19,0 | 24,1 |
Tableau IX
Évolution de l'indice de boues.
| Périodes | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Charge appliquée (kg DCO·kg⁻¹ MVS) | 0,61 | 0,18 | 0,17 | 0,15 | 0,33 | 0,40 | 0,56 | 0,58 |
| Indice de boue dilué | 90 | 130 | 170 | 180 | 160 | 200 | 180 | 170 |
… jusqu'à une valeur supérieure à 3 000 mg·L⁻¹, pour une concentration initiale moyenne de 5 200 mg·L⁻¹ (figure 2). À l'issue du premier mois, fin de la période n° 1, la concentration de la DCO en sortie diminue aux alentours de 1 300 mg·L⁻¹. La durée nécessaire au démarrage de l'installation a donc été d'environ un mois.
Il existe une bonne relation entre la charge volumique appliquée et la charge éliminée (figure 3). La droite de régression est la suivante :
CV éliminée = 0,70 CV appliquée (r² = 0,95)
Le rendement moyen de la réduction de la DCO est donc en moyenne de 70 %.
Il est intéressant de comparer ce résultat à celui trouvé sur le même site dans une filière de lagunage aéré. Pour un temps de séjour moyen de 50 jours, la réduction moyenne de la DCO est de 70 %, résultats légèrement supérieurs à ceux trouvés lors des essais de biodégradabilité ultime (tableau III).
Il est donc possible d'éliminer 70 % de la DCO du lixiviat de Foussais-Payré par une filière du type « boues activées » fonctionnant en aération prolongée. Il reste une fraction de DCO dure, non biodégradable, légèrement inférieure à celle trouvée lors des essais de biodégradabilité ultime. Des phénomènes d'adsorption sur la biomasse permettent sans doute de piéger une fraction supplémentaire de la matière organique.
Élimination de l’azote
Il n'est pas tenu compte dans ce bilan de l'azote Kjeldahl. La quantité d'azote nitrifié est donc sous-estimée, car elle ne tient pas compte de la fraction d'azote organique ammonifiée. La quantité d'azote éliminée par assimilation est estimée par la formule suivante :
N-NH₄⁺ assimilé = 0,0278 × DCO éliminée
Le tableau VII et la figure 4 présentent les résultats moyens obtenus par période.
La période 1 n'a pas présenté de résultats notables concernant la nitrification. La diminution de la charge appliquée a permis son démarrage. Il faut attendre la période 4 pour voir la concentration en ammoniac résiduel atteindre 10 mg·L⁻¹. En parallèle, la quantité d'azote nitrifié augmente, pour atteindre une valeur moyenne de 225 mg·L⁻¹·j⁻¹.
Le temps nécessaire au démarrage de la nitrification est élevé, de l'ordre de deux mois et demi, malgré des températures favorables. Une carence momentanée de l'aération en est peut-être la cause. L'augmentation de la quantité d'air injecté au début de juin précède de quelques jours la mise en place de la nitrification.
L'âge moyen des boues de chaque période n'est pas limitant pour la nitrification : il dépasse toujours 20 jours (tableau VIII).
La quantité d'azote nitrifiée rapportée à la quantité de MVS présente dans le réacteur permet d'estimer par défaut la vitesse de nitrification de l'azote. Elle augmente régulièrement au cours des essais, passant de 3,3 à 24,1 mg N·g⁻¹ MVS·j⁻¹, conjointement à l'élévation des températures et à la hausse des charges en azote appliquées (0,013 à 0,036 g N·g⁻¹ MVS). L'influence de la température est primordiale dans les cinétiques de nitrification. La légère diminution de la quantité de N-NH₄⁺ éliminé entre les périodes 3 et 4…
est très certainement liée à un manque d’ammoniac à nitrifier. En effet, durant la période 4 la concentration en N-NH₄⁺ résiduelle est faible (< 10 mg·l⁻¹), alors que la température a augmenté.
La vitesse de nitrification concernant des eaux usées urbaines, pour une température de 20 °C, est de l’ordre de 2 mg N·g⁻¹ MVS·h⁻¹, soit 50 mg N·g⁻¹ MVS·j⁻¹. Elle est donc légèrement supérieure à celle estimée par défaut sur notre lixiviat.
Nuisance du lixiviat
Une certaine décoloration du lixiviat est observée au cours du traitement qu’il est difficile de quantifier. D’une couleur initiale noire, il prend dans le réacteur une teinte rouge orangée, assez soutenue. Correctement aéré, il génère beaucoup moins d’odeurs désagréables.
Qualité des boues
Les mesures réalisées sur les boues du réacteur mettent en évidence la présence de quantités importantes de sels dissous, ce qui n’est pas étonnant au regard des concentrations en sels du lixiviat d’origine, comme les chlorures, le sodium et le potassium. En moyenne les sels dissous représentent plus de 50 % de la teneur en MS de la boue (figure 5). La biomasse ne représente en moyenne que 22 % des matières sèches totales.
Le floc est très fin, ce qui ne gêne pas sa décantabilité. L’indice de boue diluée a été contrôlé : il tend à augmenter au cours de l’expérience pour se stabiliser aux alentours de 180 ml/g en fin d’expérimentation (tableau IX).
Production de boue
La production de boue est calculée sur la totalité de la période d’essai. Elle est en moyenne de 0,25 g MES·g⁻¹ DCO éliminée, soit 0,68 g MES·g⁻¹ DBO₅ éliminée, en prenant un rapport DCO/DBO₅ de 2,7. Cette valeur est conforme à ce que l’on peut trouver sur une station du type « boues activées » fonctionnant en aération prolongée.
Toxicité du lixiviat
Les résultats obtenus lors du traitement par boues activées du lixiviat montrent l’absence de toxicité du liquide, les concentrations en métaux étant beaucoup trop faibles ; leurs teneurs évoluent peu au cours du traitement. Le fer, dominant dans le lixiviat brut, est éliminé à 40 % environ par adsorption sur le floc.
Conclusion
Les essais de traitement à petite échelle (40 litres) du lixiviat de Foussais-Payré par une filière de traitement du type boues activées et aération prolongée fonctionnant en séquentiel aboutissent à des résultats intéressants. Bien qu’il s’agisse d’un lixiviat intermédiaire, on constate qu’avec des charges appliquées inférieures à 0,6 kg DCO·kg⁻¹ MVS, la DCO est réduite de 70 %, la nitrification est totale. Ces résultats sont conformes à ceux obtenus lors d’essais de traitement par lagunage aéré réalisés sur le même jus.
Le principal avantage de la boue activée sur le lagunage est de réduire les problèmes liés aux faibles températures en période hivernale, tout en diminuant les surfaces à mettre en œuvre. La production de boues régulière et plus importante doit par contre être gérée au quotidien, alors que la fréquence de curage des lagunes est de l’ordre de dix ans environ.
Comme pour tout traitement biologique, la fraction de DCO dure, non biodégradable, est retrouvée en totalité dans l’effluent de sortie. Il faudra donc envisager un traitement complémentaire pour réduire cette pollution avant rejet au milieu naturel.
Bibliographie
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Ph. Baptiste – Sept. 1992, Traitement des lixiviats d’ordures ménagères : étude expérimentale sur le site de Foussais-Payré. Journée Information Eau – Poitiers, p. 35.
G. Le Pautremat – Mai 1994, Les lixiviats de décharges, Diplôme Universitaire d’Études Supérieures et Spécialisées – Université de Limoges, p. 124.
Salmon et al. – Mars 1989, Recherche sur le traitement biologique des lixiviats des centres d’enfouissement techniques. TSM, p. 149-158.
