XJY Transformation des boues d'épuration en biosolides : un parcours à travers le traitement des eaux usées et au-delà
Présentation du traitement des boues XJY
Avant 1950, la plupart des collectivités américaines rejetaient leurs eaux usées dans les ruisseaux et les rivières, sans aucun traitement, voire aucun. Avec l'augmentation de la population urbaine, la capacité naturelle des ruisseaux et des rivières à traiter les eaux usées a été dépassée, ce qui a entraîné une dégradation de la qualité de l'eau dans de nombreuses régions. Face aux inquiétudes concernant la dégradation de la qualité de l'eau, des milliers de collectivités à travers les États-Unis ont construit des systèmes de traitement des eaux usées dans les années 1950 et 1960. Cela a permis d'améliorer considérablement la qualité de l'eau des ruisseaux et des rivières, mais a également engendré une nouvelle matière à traiter : les boues d'épuration. Environ 99 % des eaux usées entrant dans une station d'épuration sont rejetées sous forme d'eau régénérée. Le reste est une suspension diluée de solides capturés par le processus de traitement. Ces solides issus du traitement des eaux usées sont communément appelés boues d'épuration.
« Boues d’épuration » ou « biosolides » : que signifie un nom ?
Le terme « biosolides » a récemment été introduit par l'industrie du traitement des eaux usées. Cette industrie définit les biosolides comme des boues d'épuration ayant subi un traitement suffisant pour leur stabilisation et la réduction des agents pathogènes, et dont la qualité permet leur épandage. Ce terme vise à distinguer les boues d'épuration traitées de haute qualité des boues d'épuration brutes et des boues d'épuration contenant de grandes quantités de polluants environnementaux. Le terme « biosolides » permet également de distinguer les boues d'épuration des boues industrielles en soulignant que les premières sont produites par un processus biologique. Certains ont critiqué ce terme, le considérant comme 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 pas les mêmes images négatives que « boues d'épuration » ou simplement « boues », il s'agit d'un terme légitime et fonctionnel lorsqu'il est utilisé correctement pour établir la distinction décrite ci-dessus. Dans le présent document, le terme « boues d’épuration » sera utilisé pour désigner les solides du traitement des eaux usées en général, et le terme « biosolides » sera utilisé pour désigner spécifiquement les matériaux adaptés à l’épandage sur le sol.
image 6 boues d'épuration
Production de boues d'épuration municipales XJY
Les eaux usées municipales désignent l'eau utilisée par les habitations et les entreprises des zones urbaines et périurbaines pour le lavage, la toilette et le rinçage des toilettes. Elles peuvent également inclure des eaux industrielles. Pour éliminer les produits chimiques ou polluants issus des procédés industriels, les entreprises industrielles participant aux systèmes d'assainissement municipaux doivent prétraiter leurs eaux usées avant leur rejet dans le réseau d'assainissement. Ces eaux usées sont acheminées par le réseau d'assainissement collectif vers une station d'épuration centralisée (parfois appelée station d'épuration publique, ou SEP). Dans cette station, les eaux usées passent par une série d'étapes de traitement utilisant des procédés physiques, biologiques et chimiques pour éliminer les nutriments et les solides, décomposer les matières organiques et détruire les agents pathogènes (organismes pathogènes) présents dans l'eau. L'eau ainsi purifiée est rejetée dans les ruisseaux et les rivières, ou peut être pulvérisée sur de vastes étendues de terre.
image 7 Boues d'épuration municipales
Le traitement préliminaire des eaux usées brutes comprend un dégrillage pour éliminer les gros objets tels que les bâtons, les bouteilles, le papier et les chiffons, ainsi qu'une étape de dessablage au cours de laquelle les solides inorganiques (sable, gravier, scories) se déposent rapidement dans l'eau. Les dégrillages et le gravier éliminés 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 par gravité et de flottation qui éliminent environ la moitié des matières solides entrant dans cette étape. Les matières solides (organiques et inorganiques) qui se déposent pendant cette étape sont extraites du fond et constituent les boues primaires. Dans la plupart des stations d'épuration, les matières flottantes (huiles, graisses, bois et matières végétales) écumées à la surface de l'eau lors du traitement primaire sont éliminées séparément et ne sont pas intégrées aux boues primaires.
Le traitement secondaire est un processus biologique accéléré et soigneusement contrôlé, au cours duquel des micro-organismes naturels sont utilisés pour dégrader (décomposer ou digérer) les matières organiques en suspension et dissoutes dans les eaux usées. Ces matières sont converties en dioxyde de carbone, libéré dans l'atmosphère et en masse cellulaire microbienne.
Dans les bassins de sédimentation secondaire, la masse cellulaire microbienne se dépose au fond et est éliminée. Cette matière principalement organique est appelée boue secondaire.
Certaines stations d'épuration incluent également des étapes de traitement tertiaire visant à réduire davantage les nutriments des plantes (azote et phosphore), les matières en suspension ou la demande biologique en oxygène des 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 purifiée est ensuite rejetée dans un ruisseau ou une rivière, ou peut être pulvérisée sur de vastes étendues de terre.
XJY Méthodes de traitement des 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 leur teneur en agents pathogènes et de leur nature instable et décomposable, les boues d'épuration brutes représentent un danger 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 et réduire les niveaux d'agents pathogènes dans les boues d'épuration sont listés et brièvement décrits dans le tableau 1.
| Méthode de traitement | Description | Effets sur les boues |
| Épaississant | Les solides des boues sont concentrés soit par décantation due à la gravité, soit par introduction d'air, ce qui fait flotter les solides des boues. | Les boues conservent les propriétés d'un liquide, mais la teneur en solides est augmentée à 5 à 6 % |
| Déshydratation | Déshydratation
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| Digestion anaérobie | L'une des méthodes les plus répandues pour le traitement des boues. Les boues sont conservées à l'abri de l'air pendant 15 à 60 jours à des températures comprises entre 20 et 54 °C. Des bactéries anaérobies se nourrissent des boues, produisant du méthane et du dioxyde de carbone. Dans certaines stations d'épuration, le méthane est récupéré et brûlé pour maintenir la température de traitement. |
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| Digestion aérobie | Les boues sont agitées à l'air ou à l'oxygène pendant 40 à 60 jours à des températures comprises entre 15 et 20 °C. Les bactéries aérobies se nourrissent des boues et produisent du dioxyde de carbone. |
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| Stabilisation alcaline | On ajoute aux boues une quantité suffisante de matière alcaline, généralement de la chaux (CaO), pour augmenter leur pH à au moins 12 pendant 2 heures. Le pH doit rester supérieur à 11,5 pendant 22 heures supplémentaires. |
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| Compostage | Les boues sont déshydratées pour augmenter leur teneur en matières solides à environ 20 %, puis mélangées à une matière organique riche en carbone, comme la sciure de bois. Le mélange est composté en conditions aérobies à des températures d'au moins 54 °C pendant plusieurs jours. |
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Que contiennent les boues d'épuration??
Les boues d'épuration sont composées de matières inorganiques et organiques, de fortes concentrations de certains nutriments végétaux, 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 au 95e percentile des nutriments végétaux et de certains oligo-éléments présents dans les boues d'épuration. Ces données proviennent d'une vaste étude des boues d'épuration produites en Pennsylvanie en 1996 et 1997.
Options de traitement des 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, dont certaines provenant de Pennsylvanie, étaient rejetées en mer. Les inquiétudes concernant la charge excessive en nutriments des eaux océaniques ont conduit à l'interdiction de cette pratique. Aujourd'hui, la quasi-totalité des boues d'épuration produites en Pennsylvanie a été traitée et sa qualité est suffisamment élevée pour être classée comme biosolides. Un peu moins de la moitié de ces matières est éliminée par enfouissement ou incinération, tandis que le reste est recyclé dans le sol et utilisé en agriculture, en réhabilitation minière, en aménagement paysager ou en horticulture. Chacune de ces options présente des avantages, des inconvénients et des risques économiques et environnementaux.
Élimination des décharges
Du point de vue de la gestion et de la manutention, l'enfouissement en décharge est peut-être la solution la plus simple. D'un point de vue économique, l'enfouissement est actuellement plus avantageux que d'autres options. Cependant, la situation évoluera sans aucun doute avec la limitation des espaces d'enfouissement et l'augmentation des frais de déversement. D'un point de vue environnemental, l'enfouissement empêche le rejet de polluants ou d'agents pathogènes contenus dans les boues en concentrant les boues en un seul endroit. Si la décharge est correctement construite et entretenue, les risques environnementaux sont minimes.
L'enfouissement des boues d'épuration en décharge comporte toutefois des risques. Les déchets organiques subissent une décomposition anaérobie dans les décharges, produisant du méthane susceptible d'être rejeté dans l'atmosphère. Le méthane est un gaz à effet de serre impliqué dans le réchauffement climatique. D'autres gaz rejetés par les décharges peuvent provoquer des odeurs désagréables. Les grandes quantités de nutriments que les boues d'épuration ajoutent à une décharge représentent un risque pour l'environnement local. En cas de défaillance du revêtement de la décharge ou du système de collecte des lixiviats, ces nutriments pourraient contaminer les eaux souterraines et les eaux de surface locales. L'enfouissement des boues d'épuration occupe également un espace précieux dans la décharge et prive les boues des bénéfices potentiels de leur matière organique et de leurs nutriments pour les plantes.
image 8 Élimination des décharges
Élimination par incinération
L'incinération des boues d'épuration réduit le volume des matières à éliminer, détruit complètement les agents pathogènes, décompose la plupart des composés organiques et récupère la faible valeur calorifique qu'elles contiennent. Les cendres résiduelles sont une matière inorganique stable et relativement inerte, dont le volume ne représente que 10 à 20 % du volume initial des boues. La plupart des traces de métaux présents dans les boues d'épuration se concentrent dans les cendres (concentration multipliée par cinq à dix). Ces matières sont généralement mises en décharge, bien qu'elles puissent potentiellement être utilisées dans la fabrication de matériaux de 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. Son fonctionnement nécessite des systèmes sophistiqués pour éliminer les particules fines (cendres volantes) et les polluants volatils des gaz de cheminée. De ce fait, 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 de la matière organique et des nutriments végétaux contenus dans les boues d'épuration sont perdus.
image 9 Élimination par incinération