XJY Transformer les boues d'épuration en biosolides : un voyage à travers le traitement des eaux usées et au-delà
Présentation de la XJY Traitement des boues
Avant 1950, la plupart des collectivités aux États-Unis rejetaient leurs eaux usées dans les cours d'eau sans traitement ou presque. Avec l'augmentation des populations urbaines, la capacité naturelle des cours d'eau à traiter les eaux usées a été saturée, entraînant une détérioration de la qualité de l'eau dans de nombreuses régions. Face à ces préoccupations, des milliers de collectivités à travers les États-Unis ont construit des stations d'épuration.Traitement de l'eau Les systèmes de traitement des eaux usées des années 1950 et 1960 ont permis d'améliorer considérablement la qualité de l'eau des cours d'eau, mais ont également engendré un nouveau problème : les boues d'épuration. Environ 99 % des eaux usées entrant dans une station d'épuration sont rejetées sous forme d'eau traitée. Le reste est une suspension diluée de matières solides retenues par le processus de traitement. Ces matières solides issues du traitement des eaux usées sont communément appelées boues d'épuration.
image 1 eaux usées
« Boues d’épuration » ou « biosolides » : que signifie ce nom ?
Le terme « biosolides » a récemment été introduit par le secteur du traitement des eaux usées. Ce secteur définit les biosolides comme des boues d'épuration ayant subi un traitement suffisant pour leur stabilisation et la réduction des agents pathogènes, et présentant une qualité suffisamment élevée pour être épandues sur les terres agricoles. Ce terme vise à distinguer les boues d'épuration traitées de haute qualité des boues brutes et de celles contenant de grandes quantités de polluants environnementaux. Le terme « biosolides » permet également de différencier les boues d'épuration des boues industrielles en soulignant que les premières sont produites par un processus biologique. Ce terme a été critiqué par certains, qui y voient une tentative de masquer la véritable nature des boues d'épuration, rendant ainsi leur épandage moins contestable auprès du grand public. Bien que « biosolides » n'évoque sans doute pas les mêmes images négatives que « boues d'épuration » ou simplement « boues », il s'agit d'un terme légitime et fonctionnel lorsqu'il est correctement employé pour établir la distinction décrite ci-dessus. Dans ce document, le terme « boues d’épuration » désignera en général les matières solides issues du traitement des eaux usées, et le terme « biosolides » désignera spécifiquement les matières aptes à être épandues sur les terres.
image 2 Ligne de boues d'épuration
Production de Boues d'épuration municipales XJY
Les eaux usées municipales, ou eaux d'égout, désignent les eaux utilisées dans les habitations et les commerces des zones urbaines et périurbaines pour se laver, prendre un bain et tirer la chasse d'eau. Elles peuvent également provenir de sources industrielles. Afin d'éliminer les produits chimiques ou polluants issus des procédés industriels, les entreprises contribuant aux systèmes d'assainissement municipaux doivent prétraiter leurs eaux usées avant leur rejet dans le réseau d'égouts. Ces eaux sont acheminées par le réseau d'assainissement jusqu'à une station d'épuration centralisée (parfois appelée station d'épuration publique). Dans cette station, les eaux usées subissent une série de traitements faisant appel à des procédés physiques, biologiques et chimiques pour éliminer les nutriments et les matières solides, décomposer les matières organiques et détruire les agents pathogènes (organismes responsables de maladies). L'eau traitée est ensuite rejetée dans les cours d'eau ou peut être épandue sur de vastes étendues de terres.
image 3 Traitement des boues d'épuration municipales
Le prétraitement des eaux usées brutes comprend un tamisage pour éliminer les gros objets tels que les branches, les bouteilles, le papier et les chiffons, ainsi qu'une étape de dessablage durant laquelle les matières solides inorganiques (sable, gravier, cendres) se déposent rapidement. Les résidus de tamisage et de dessablage retenus lors de cette étape sont généralement mis en décharge et ne sont pas intégrés aux boues d'épuration.
Le traitement primaire comprend des procédés de sédimentation gravitaire et de flottation qui éliminent environ la moitié des matières solides introduites à cette étape. Les matières solides (organiques et inorganiques) qui se déposent au cours de ce traitement sont extraites du fond et constituent les boues primaires. Dans la plupart des stations d'épuration, les matières flottantes (huiles, graisses, bois et végétaux) écrémées à la surface de l'eau pendant le traitement primaire sont traitées séparément et ne sont pas intégrées aux boues primaires.
Le traitement secondaire est un processus biologique accéléré et rigoureusement contrôlé, utilisant des micro-organismes naturellement présents pour dégrader (décomposer ou digérer) les matières organiques en suspension et dissoutes dans les eaux usées. Ces matières sont transformées en dioxyde de carbone, rejeté dans l'atmosphère, et en biomasse microbienne.
Dans les bassins de sédimentation secondaires, la biomasse microbienne se dépose au fond et est extraite. Cette matière principalement organique est appelée boues secondaires.
Certaines stations d'épuration comprennent également des étapes de traitement tertiaire destinées à réduire davantage les nutriments pour les plantes (azote et phosphore), les matières en suspension ou la demande biologique en oxygène dans les eaux usées. La précipitation chimique du phosphore et la filtration produisent des boues tertiaires.
Enfin, l'eau subit un traitement de désinfection pour détruire les micro-organismes pathogènes. L'eau ainsi traitée est ensuite rejetée dans un cours d'eau ou peut être pulvérisée sur de vastes étendues de terres.
Méthodes de traitement XJY pour boues d'épuration municipales
Les boues primaires, secondaires et tertiaires sont généralement combinées, et le mélange obtenu, contenant de 1 à 4 % de matières solides, est appelé boues d'épuration « brutes ». En raison de sa teneur en agents pathogènes et de sa nature instable et décomposable, les boues d'épuration brutes représentent un risque potentiel pour la santé et l'environnement. Cependant, plusieurs procédés de traitement sont désormais utilisés pour stabiliser les boues d'épuration, réduire leur teneur en agents pathogènes et augmenter leur teneur en matières solides. Certains des procédés les plus couramment utilisés pour stabiliser les boues d'épuration et réduire les niveaux d'agents pathogènes sont répertoriés et brièvement décrits dans le tableau 1.
| Méthode de traitement | Description | Effets sur les boues |
| Épaississant | Les matières solides des boues sont concentrées soit par décantation due à la gravité, soit par introduction d'air, ce qui provoque leur flottaison. | Les boues conservent les propriétés d'un liquide, mais leur teneur en matières solides augmente jusqu'à 5 à 6 %. |
| Déshydratation | Déshydratation
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| digestion anaérobie | L'une des méthodes les plus couramment utilisées pour le traitement des boues. Les boues sont conservées en l'absence d'air pendant 15 à 60 jours à des températures comprises entre 20 et 55 °C. Des bactéries anaérobies se nourrissent des boues, produisant du méthane et du dioxyde de carbone. Dans certaines stations d'épuration, le méthane est collecté et brûlé afin de maintenir la température de traitement. |
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| digestion aérobie | Les boues sont agitées avec de l'air ou de l'oxygène pendant 40 à 60 jours à des températures de 59 à 68°F. Les bactéries aérobies se nourrissent des boues, produisant du dioxyde de carbone. |
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| Stabilisation alcaline | On ajoute à la boue une quantité suffisante de matière alcaline, le plus souvent de la chaux (CaO), afin d'augmenter son pH à au moins 12 pendant 2 heures. Le pH doit ensuite se maintenir au-dessus de 11,5 pendant 22 heures supplémentaires. |
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| Compostage | Les boues sont déshydratées afin d'augmenter leur teneur en matières solides à environ 20 %, puis mélangées à une matière organique riche en carbone, comme de la sciure de bois. Le mélange est composté en conditions aérobies à une température d'au moins 55 °C (131 °F) pendant plusieurs jours. |
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Qu'y a-t-il dans boues d'épuration?
Les boues d'épuration sont composées de matières inorganiques et organiques, de fortes concentrations de certains nutriments pour les plantes, de concentrations beaucoup plus faibles de nombreux oligo-éléments¹ et de composés organiques, ainsi que de certains agents pathogènes. Leur composition varie considérablement selon la composition des eaux usées et les procédés de traitement utilisés. Le tableau 2 présente les concentrations médianes et les 95e percentiles des nutriments pour les plantes et de certains oligo-éléments présents dans les boues d'épuration. Ces données proviennent d'une vaste étude menée sur les boues d'épuration produites en Pennsylvanie en 1996 et 1997.
Options pour gérer boues d'épuration
Les boues d'épuration peuvent être considérées soit comme une ressource organique et nutritive à valoriser, soit comme un déchet à éliminer. Avant 1991, d'importantes quantités de boues d'épuration, y compris celles provenant de Pennsylvanie, étaient rejetées en mer. Les inquiétudes liées à la surcharge en nutriments des océans ont conduit à l'interdiction de cette pratique. Actuellement, la quasi-totalité des boues d'épuration produites en Pennsylvanie est traitée et d'une qualité suffisamment élevée pour être classée comme biosolide. Un peu moins de la moitié de ce matériau est éliminée par enfouissement ou incinération, tandis que le reste est recyclé et enrichi dans les sols par l'agriculture, la réhabilitation des sites miniers, l'aménagement paysager ou l'horticulture. Chacune de ces options présente des avantages, des inconvénients et des risques économiques et environnementaux.
Élimination des déchets en décharge
Du point de vue de la gestion et du traitement des matériaux, la mise en décharge est sans doute la solution la plus simple. Sur le plan économique, elle se compare actuellement avantageusement aux autres options. Cela changera sans aucun doute, cependant, à mesure que l'espace disponible en décharge se raréfie et que les coûts d'élimination des déchets augmentent. D'un point de vue environnemental, la mise en décharge empêche le rejet de polluants ou d'agents pathogènes contenus dans les boues en concentrant ces dernières en un seul lieu. Si la décharge est correctement construite et entretenue, les risques environnementaux sont minimes.
L’élimination des boues d’épuration en décharge comporte toutefois des risques. Dans les décharges, les déchets organiques subissent une décomposition anaérobie produisant du méthane, un gaz à effet de serre susceptible d’être libéré dans l’atmosphère et contribuant au réchauffement climatique. D’autres gaz émis par les décharges peuvent engendrer des odeurs désagréables. Les importantes quantités de nutriments que les boues d’épuration apportent aux décharges représentent un risque pour l’environnement local. En cas de défaillance de la membrane d’étanchéité ou du système de collecte des lixiviats, ces nutriments pourraient contaminer les eaux souterraines et de surface avoisinantes. De plus, l’enfouissement des boues d’épuration occupe un espace précieux et prive les décharges des bienfaits potentiels de la matière organique et des nutriments végétaux qu’elles contiennent.
image 4 Élimination des déchets en décharge
Élimination par incinération
L'incinération des boues d'épuration réduit le volume des déchets à éliminer, détruit complètement les agents pathogènes, décompose la plupart des composés organiques et récupère le faible pouvoir calorifique qu'elles contiennent. Les cendres résiduelles sont un matériau inorganique stable et relativement inerte, représentant seulement 10 à 20 % du volume initial des boues. La plupart des métaux traces présents dans les boues se concentrent dans les cendres (leur concentration est multipliée par cinq à dix). Ce matériau est généralement mis en décharge, bien qu'il puisse potentiellement être utilisé dans la construction.
L'incinération libère également du dioxyde de carbone (un autre gaz à effet de serre) et potentiellement d'autres polluants volatils (cadmium, mercure, plomb, dioxines) dans l'atmosphère. Le fonctionnement d'un incinérateur nécessite des systèmes sophistiqués pour éliminer les particules fines (cendres volantes) et les polluants volatils des gaz de combustion. C'est pourquoi l'incinération est l'une des options les plus coûteuses pour l'élimination des boues d'épuration. Comme pour la mise en décharge, les bénéfices potentiels liés à la matière organique et aux nutriments pour les plantes contenus dans les boues d'épuration sont perdus.
image 5 Élimination par incinération