Dopés par l'importance des coûts du traitement des boues résiduaires, les Procédés de Réduction de la Production de Boues (PRPB) permettant une réduction du volume des boues produites, non pas par évaporation de l'eau interstitielle, mais par oxydation de la matière organique se sont multipliés ces dernières années. Les taux de réduction obtenus qui s'échelonnent entre 30 et 80 % permettent d'envisager une intensification des recherches. D?ici là, la décision d'implanter un process de réduction de la production de boues doit prendre en compte les investissements nécessaires, les coûts d'exploitation ainsi que les coûts de traitement et d'élimination par voie conventionnelle. Le coût de la tonne de boue non produite peut ainsi être déterminé et comparé avec les coûts d'exploitation par voies traditionnelles.
La problématique est bien connue : un taux de dépollution (part de la pollution traitée sur la pollution émise) en constante augmentation associé à des traitements toujours plus efficaces conduisent à la production d'un volume de boues de plus en plus important. À tel point qu’aujourd’hui, les boues de stations d’épuration urbaines et les boues industrielles représentent chacune environ une production d’un million de tonnes de matières sèches par an. Matières qu'il faut éliminer.
ou valoriser en développant puis en pérennisant des filières adaptées à la nature des boues considérées et aux contraintes de l’exploitant.
Une chose est toutefois certaine : quelle que soit la filière retenue, l’exploitant aura tout intérêt à réduire au maximum le volume de boues à traiter en éliminant autant que possible l’eau liée aux matières en suspension.
Une bonne caractérisation des boues à traiter suivie d'un conditionnement physico-chimique adéquat associé à un process adapté de déshydratation mécanique permet d’atteindre de hauts niveaux de siccité.
Une étape cruciale dans la mesure où les coûts du traitement des boues résiduaires représentent, toutes filières confondues, plus de 55 % du coût total de la filière de traitement des eaux usées.
L’importance de ces coûts de traitement explique aussi pourquoi, en amont des différentes filières de valorisation, plusieurs procédés ont été développés ces dernières années puis testés sur certaines stations d’épuration de façon à réduire à la source le volume de boues à valoriser : la tonne de boue la moins chère à traiter est celle qu’on ne produit pas.
Ces procédés permettent, selon leurs concepteurs, de diminuer les productions de MS boues de 30 à 80 % (selon la nature de la boue et l'intensité du traitement).
Le principe est le suivant : appliquer un stress à la microflore constitutive des boues en fin de phase épuratoire pour générer une autolyse bactérienne et, donc, une minéralisation accrue des boues. Il s'agit de perturber le métabolisme des bactéries qui interviennent dans le cadre du processus épuratoire à l'aide de techniques diverses (champignons, ozone, biologie, ultrasons, température/pression…). Point commun à tous ces procédés de réduction à la source de la production de boues : ils reposent tous sur l’ajout d’un traitement combiné aux procédés conventionnels qui peut s'appliquer, selon les cas, sur la ligne eaux et/ou sur la ligne boues.
Les traitements sur la ligne eaux
Plusieurs technologies désormais matures permettent d’atteindre des performances élevées en matière de réduction de la production de boues.
L'ozone, par exemple, est un oxydant puissant capable de s’attaquer directement à la membrane bactérienne dans une boucle de recirculation. Les réductions de boues produites s’échelonnent alors de 30 à 80 % et sont proportionnelles à la dose spécifique appliquée selon la formule : kg O₃ transféré/kg DCO boues non produites.
Le procédé Halia® d’Air Products utilise l’ozone comme agent bactéricide capable de convertir la biomasse produite quotidiennement en DCO et autres nutriments assimilables par les bactéries du bassin biologique. Ce procédé permet de récupérer l’oxygène résiduel provenant de l’étage d’ozonation. Cet oxygène est alors réutilisé pour le traitement de la DCO induite par l’étage d’ozonation.
D’autres procédés exercent également un stress chimique sur les bactéries par une oxydation à l’ozone. Ces procédés n’influent pas sur l’élimination de l’azote mais jouent sur l’élimination du phosphore. Avantages supplémentaires à la réduction de la production de boues, ils génèrent des améliorations sensibles en matière de sédimentation des boues et une réduction sensible des problèmes de bulking filamenteux et de mousse biologique.
d’énergie sur une station d’épuration, ce qui peut être compensé dans certains cas lorsque la filière d’élimination est prise en compte. Le coût de la tonne de boues (MS) non produite avoisinerait 370 € pour un taux de réduction de 70 %, une taille d’installation de 250 000 eq. hab. Ces coûts se répartissent à 57 % pour le coût du réactif (oxygène) et à 34 % pour l’énergie, le reste représentant la main-d’œuvre et la maintenance (voir EIN n° 309).
Les traitements thermiques permettent également de réduire les volumes de boues à la source. Biolysis E, développé par le japonais Shinko Pantec, repose sur un effet de sélection de la température sur les micro-organismes favorisant les capacités d’hydrolyse. Les taux de réduction constatés de la production de boues oscillent entre 30 et 80 % sans qu’aucune influence notable sur la qualité de l’effluent n’ait été détectée. Veolia Eau commercialise de son côté le procédé Bio Thelys® qui repose sur un traitement à 150-175 °C, 15 bar, avec 30-60 min de temps de contact, pour obtenir une réduction de 50 à 70 % du volume des boues produites. La boue non produite est solubilisée et dégradée par les micro-organismes.
Quant à Exelys®, le nouveau procédé d’hydrolyse thermique d’OTV, mis en place sur la future station d’épuration de Marquette-lez-Lille, il devrait permettre de diminuer entre 20 et 40 % la production de boues et de produire 15 à 30 % de biogaz en plus par rapport à une digestion classique.
BioControl+™ d’Ondeo Industrial Solutions se positionne différemment par rapport à ces procédés puisqu’il repose sur des techniques de base, anoxie, aérobie et anaérobie, pour contrôler la croissance bactérienne. Le principe consiste à créer un déséquilibre physiologique des processus biologiques qui limite les réactions de déshydrogénation et vise ainsi à empêcher le stockage d’énergie sous forme d’ATP (adénosine triphosphate), principalement responsable de la croissance bactérienne. Ce déséquilibre est obtenu grâce à des alternances entre zones d’anoxie, d’anaérobie et d’aérobie. La réduction de la quantité de biomasse produite est fonction de la composition des effluents et des normes de rejet. Mis en œuvre pour le traitement d’effluents issus de l’industrie agroalimentaire, le procédé a permis une réduction de la production de boues de 50 % avec, après investissements pour implanter le procédé, une baisse des coûts d’exploitation de l’ordre de 35 %. BioControl+™ nécessite un
Investissement de l'ordre de 10 % par rapport à une station classique n’utilisant pas cette technologie pour traiter les effluents. Investissement qui peut être amorti par une diminution des besoins en consommables comme par exemple les coagulants et les floculants dans le cas des boues biologiques résiduelles, ou encore en urée et en acide phosphorique pour les effluents carencés. Le dimensionnement de l’atelier de déshydratation des boues résiduelles est lui aussi réduit et, pour les installations existantes, le temps de fonctionnement et d'exploitation est diminué.
Reste que la réduction de la production de boues sur la filière eau présente parfois un bilan énergétique peu favorable, ce qui incite les exploitants à agir plutôt sur la filière boue en synergie avec la digestion anaérobie.
Agir sur la filière boues en synergie avec la digestion anaérobie
Utilisée pour éliminer de grandes quantités de matière organique (MO), la digestion anaérobie des boues réduit de 40 % la teneur en MO des boues mixtes. Elle stabilise les boues par minéralisation de leur fraction organique, réduit leur masse et leur dégagement d’odeurs et permet de générer de l’énergie grâce au biogaz produit transformable en énergie thermique et électrique. La qualité de la digestion dépend de plusieurs paramètres : la température, le temps de séjour et le degré de stabilisation de la matière organique admise en digestion. Bien mené, le procédé permet de pousser à 50 % la réduction de la teneur en matières organiques des boues mixtes. Mais il présente d'autres avantages. Le premier est lié à la modification structurelle de la boue traitée. En stabilisant les boues par minéralisation de leur fraction organique et en réduisant leur masse, il constitue dans bien des cas un prétraitement attractif. Beaucoup d’exploitants considèrent que la digestion constitue une étape préalable intéressante avant le séchage ou l’incinération, dans la mesure où la réduction de la masse de boue optimise les investissements liés aux équipements de post-traitement. Coupler digestion anaérobie et séchage thermique permet par exemple de réduire la taille du sécheur, de diminuer la consommation de polymères et de chaux et surtout d’abaisser la quantité d’eau à évaporer et donc la consommation d’énergie nécessaire au séchage.
D’autres procédés permettent de réduire la quantité de matière sèche produite sur la filière boues.
C'est le cas des procédés mycéliens qui permettent une réduction du volume de boues par oxydation de la matière organique grâce à des souches mycéliennes sélectionnées en fonction des espèces déjà présentes dans les boues à traiter, puis mises en culture dans un réacteur biologique avant d’être mélangées aux boues, en milieu aéré. Développé par Saur, MycET®, acronyme de Mycelium Ecological Treatment, consiste en une dégradation aérobie par un consortium mycélien développé par les laboratoires Biovitis sur les boues épaissies. Le procédé permet de réduire la production de boues de stations d’épuration à hauteur de 30 % en masse à l'aide d’une bioamplification de la boue en champignons. Il concerne prioritairement les stations de capacité supérieure à 5000 EH et offre ainsi un mode de réduction de boues efficace pour les petites collectivités lorsqu'il n’est pas rentable d'installer une digestion anaérobie. Huit références industrielles ont été installées en France par Stereau sur les sites de La Baule (178 000 EH) et Brive.
Un nouveau procédé enzymatique pour éliminer les graisses en stations d'épuration
Les industriels de l'agroalimentaire rencontrent des difficultés croissantes en matière d’épuration de leurs eaux usées, et plus précisément dans l’élimination des matières grasses. La graisse est une matière organique difficilement biodégradable. Elle est à l'origine de bouchons dans les canalisations, de la diminution du rendement des stations d’épuration, de l'apparition de mousses, de pics d'odeurs nauséabondes, etc.
Les graisses sont présentes dans les eaux usées de la plupart des industries alimentaires (abattoirs, chocolaterie, laiterie, etc.). Elles ne sont pas traitées par la station d’épuration et doivent être écartées et éliminées via une autre filière. Dans le cadre d'un schéma classique d’épuration de l'eau, les graisses sont séparées des eaux usées par un traitement physique (flottation, insufflation) ou physico-chimique (ajout de réactifs floculants, coagulants). Elles sont ensuite séparées mécaniquement du circuit de l’épuration des eaux. Cette séparation constitue une étape obligatoire dans la plupart des cas, sous peine de dysfonctionnements dans le bassin biologique. Realco a mis au point un nouveau procédé enzymatique baptisé Hydramax pour le traitement des graisses au sein même des stations d’épuration.
Concrètement, les eaux usées sont traitées dans un bassin agité. Les enzymes hydrolysent les triglycérides (composants de la graisse) en mono et diglycérides. Les triglycérides hydrolysés libèrent du glycérol et des acides gras. Ces molécules sont plus facilement assimilables par les microorganismes au même titre que les autres matières organiques. Une fois traitées, les eaux usées sont envoyées vers le bassin biologique où les graisses hydrolysées sont assimilées en même temps que le reste de la charge organique.
Le traitement est optimisé grâce à l'association d'un cocktail enzymatique avec un agent dispersant, ce qui permet d’améliorer le contact entre les enzymes et la graisse et donc le traitement.
Une étude comparative réalisée entre ce traitement enzymatique et un traitement physico-chimique classique a démontré que le coût de la construction d’une station d'épuration équipée du procédé enzymatique Hydramax était de 12 % inférieur à celui d'une station d'épuration classique et que les coûts d’exploitation étaient inférieurs à une installation comprenant un traitement physico-chimique, le coût du traitement enzymatique étant contrebalancé par le coût des réactifs utilisés pour le traitement physico-chimique et par le coût d’élimination des boues primaires.
(215000 EH), Nîmes (230000 EH), Coutances (10000 EH), Bannalec (5000 EH), Ouistreham (15000 EH), Luxeuil (20000 EH) et Genlis (15000 EH). Un premier retour d'expérience à l'issue des 16 premiers mois de fonctionnement sur la station d’épuration de Brive (voir EIN n° 317) a fait apparaître une production de 1830 tonnes de matières sèches pour une production réelle totale avant MycET® de 2504 tonnes. Ce qui correspond à un rendement cumulé moyen de 27 %, assez proche des rendements annoncés par le constructeur en rapport avec la charge massique des effluents et de la nature minérale des boues (55 % en moyenne). Parmi les avantages du procédé, sa compatibilité avec les plans d’épandage, la dégradation simultanée de l’azote et du carbone et le rapport C/N étant conservé, et une rhéologie intéressante, notamment en vue d’un couplage MycET + digestion comme le prouvent les tests menés à Gdansk en 2005 et 2006.
Naturatech exploite également ses capacités d’innovation dans le domaine des biotechnologies environnementales pour sélectionner une gamme de microorganismes permettant la dégradation d’éléments polluants rencontrés dans les eaux usées rejetées tant par les industries que par les stations municipales. En fonction des caractéristiques de l'effluent et de la station d’épuration considérée, la démarche repose sur la détermination des espèces les plus adaptées avant production dans des fermenteurs puis injection dans la boue activée. Le procédé Optibiom ne nécessite aucun investissement pour l’exploitant, les filières eau et boues ne sont pas modifiées. Testé en station d’épuration sur le site de Saint-Louis Sucre à Marseille (voir EIN n° 336), le procédé Optibiom® a fait apparaître, après 20 mois de traitement, une réduction de 42 % du volume de production de boues. À noter également que des gains qualitatifs (rendements épuratoires) et également quantitatifs (économies d’exploitation) ont été observés.
Biovitis propose des bio-augmentations fongiques hautement spécifiques visant à réduire la masse des boues en excès issue des stations biologiques industrielles. Pour cela, de par ses connaissances intégrées en biotechnologie, Biovitis a développé depuis 10 ans une collection originale de microorganismes (bactéries, levures et champignons filamenteux), tous issus d'eaux usées et de divers écosystèmes pollués. Globalement, ces auxiliaires technologiques microbiens présentent des activités environnementales singulières telles que de fortes aptitudes à dégrader certains polluants émergents (perturbateurs endocriniens, HAP, phénols, urées modifiées…) dans des matrices liquides et solides, mais aussi ils agissent comme des antagonistes naturels vis-à-vis des « filamenteuses », ils améliorent les transferts de gaz dans les bassins en jouant sur la fraction colloïdale des boues et ils dégradent les polluants en empruntant des voies métaboliques alternatives et génératrices de faibles quantités de biomasse ou de boues. Concrètement, l'ensemble de ces propriétés permet l’obtention de véritables gains technico-économiques (accroissement de la qualité des rejets et baisse des coûts d’exploitation) sur des sites de l'Industrie Agroalimentaire (IAA), de la pétrochimie et de productions d’additifs (sucres complexes, acides aminés, acides organiques, vitamines…). Aujourd’hui, Biovitis pour contrôler la qualité et les performances de ses mélanges microbiens environnementaux, utilise les mêmes critères que ceux « classiquement » considérés dans les secteurs de l'IAA et de la Pharmacie : exigences maximales sur la stabilité et la pureté de l’inoculum pri-
maîtrise, utilisation de milieux de culture et production dans des bioréacteurs conformes aux référentiels en vigueur en IAA, caractérisation systématique de l'influence des paramètres physico-chimiques sur les souches (température, aération, potentiel d’oxydo-réduction, temps de mélange, pH...). Cette démarche permet à Biovitis d'offrir à ses clients un produit microbien industriel dont l'efficacité et la constance sont standardisées et l'innocuité pour l'utilisateur garantie.
Également spécialisée dans les bio-solutions industrielles, Novozymes propose avec BioSpikes® des cocktails à base de micro-organismes permettant de réduire la production à la source du volume des boues en lagunes. Les BioSpikes permettent de minimiser le volume des boues décantées dans les lagunes d’épuration. Les BioSpikes sont des bâtonnets hydrosolubles qui grâce à leur densité vont directement se déposer au fond de la lagune, même s'ils sont appliqués à la surface de l'eau. Le dosage est de ce fait très facile, et le contact entre les micro-organismes et la boue est immédiat. Ils peuvent aussi être facilement appliqués pour résoudre des problèmes d’accumulation et éviter ainsi les chemins préférentiels. Les BioSpikes se déposent au fond des lagunes et des milliards de micro-organismes, d’enzymes et de micro-nutriments colonisent la boue. Cette combinaison permet de stimuler rapidement l’activité biologique et de réduire le niveau des boues. Cela réduit la fréquence des dragages, augmente le temps de séjour hydraulique et améliore la performance de la lagune dans son ensemble. Les tests effectués font apparaître une réduction du niveau des boues de 28 % 60 jours après le traitement.
Les chimistes ne sont pas en reste et travaillent à l’élaboration de solutions susceptibles de diminuer le volume de boues produites. Arkema a ainsi lancé en 2008 Scaleva®, un acide pour remplacer l'acide phosphorique présent dans les solutions nettoyantes utilisées principalement par l'industrie agro-alimentaire. Le traitement de l’acide phosphorique avec le chlorure ferrique permet de diminuer le taux de phosphore dans les eaux traitées, mais il génère d'importantes quantités de boues. La substitution des solutions à base d’acide phosphorique par des solutions à base de Scaleva® permet de diminuer à la fois la teneur en phosphore résiduel et également de réduire de manière significative les quantités de boues à traiter. Plus en aval, BASF travaille en permanence à l’élaboration de nouveaux polymères capables de traiter de façon plus économe les boues issues de procédés « conventionnels » mais également de traiter ces « nouvelles » boues, dont les structures sont souvent plus complexes et plus difficiles à conditionner. BASF développe en particulier ses technologies des polymères réticulés afin de compenser les modifications chimiques et physiques de ces « nouvelles » boues et obtenir des siccités et des coûts de traitement compatibles avec les attentes et les contraintes des exploitants.
Tous ces procédés de réduction de la production de boues constituent des alternatives intéressantes aux traitements conventionnels des boues résiduaires : ils permettent de réduire les quantités de boues à évacuer de manière substantielle voire totale dans certains cas. Ils coexistent avec d'autres stratégies qui consistent, en file eau, à maximiser la production de boues à fort potentiel méthanogène en consommant le moins possible d’énergie pour être à même de produire plus d’énergie dans la file boue avec des technologies avancées.
En tout état de cause, réduire la quantité de boues produites ne suffit pas. Le recours à l'un ou l'autre de ces procédés doit s'accompagner de bilans complets. Au plan économique, les gains réalisés par la gestion d’une quantité plus faible de boues ne justifient pas toujours les coûts d’investissement et d’exploitation liés à leur mise en œuvre et restent largement dépendants du contexte local : nature des boues, coûts et filières d’élimination des boues, taille de la station... etc. Les paramètres justifiant le choix de tel ou tel procédé sont très nombreux et nécessitent une mise en œuvre au cas par cas. La grande diversité des contextes locaux interdit de songer à une solution universelle. Le choix d’un procédé doit donc toujours être précédé d’un bilan économique global intégrant l'ensemble de la filière et d’un bilan environnemental. Enfin, les modifications parfois importantes d’ordres physiques, chimiques et biologiques sur les boues activées induites par ces procédés doivent également être intégrées à l'étude dans la mesure où elles peuvent être à l’origine d'une dégradation de la qualité de l’effluent traité (DCO, phosphore, azote).
