ADETONAH Wilfried MBA OBAME Marcellin ETUDE BIBLIGRAPHIQUE

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1 ADETONAH Wilfried MBA OBAME Marcellin ETUDE BIBLIGRAPHIQUE VALORISATION DES BOUES DE STATIONS D EPURATION, FLUVIALES ET MARINES : ETUDE DES COMPOSTS Promotion 2007 Année scolaire

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3 - 3 - Remerciements Nous tenons tout particulièrement à remercier Monsieur Nor-Edine ABRIAK, professeur et chef de laboratoire mécanique des sols et matériaux au département Génie Civil, pour sa disponibilité et son aide pour la réussite de cette étude bibliographique. Nous remercions également Monsieur Rachid ZENTAR, enseignant-chercheur au département Génie Civil, tous les enseignants du département Génie Civil et l ensemble du personnel du centre de documentation de l école des Mines de Douai pour l abondante documentation qu ils ont mise à notre disposition.

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5 - 5 - SOMMAIRE Page Remerciements 3 Sommaire 5 Résumé 7 Mots matières 7 Abstract 9 Key words 9 Introduction 11 Première partie : Boues des stations d épuration Origine des boues Les stations d épuration Composition des boues Règlementation Valorisation Valorisation agricole L incinération Valorisation thermique et électrique 25 Deuxième partie : Boues fluviales Origine des boues Qualités des boues Traitement et débouchés des boues 29 Troisième partie : Boues marines Origine Vers le recyclage des boues portuaires dans le bâtiment 33 Quatrième partie : Les filières de traitement des boues Du liquide au solide L épaississement La stabilisation en phase liquide Le conditionnement La déshydratation Post-traitements en phase solide Le chaulage Le compostage Le séchage thermique 51 Cinquième partie : Les risques Les risques microbiologiques Les risques chimiques Les teneurs en éléments toxiques dans les eaux usées Les risques de contamination des chaînes alimentaires 57

6 - 6 - Sixième partie : Compost et compostage Qu est ce que le compostage Les déchets d origine urbaine susceptibles d être compostés Evolution des principales caractéristiques du compost au cours du compostage Evolution de la matière organique des composts au cours du compostage Stabilisation de la matière organique Evolution de la composition biochimique de la matière organique au cours du compostage Evolution de la composition chimique de la matière organique des composts au cours du compostage : mise en évidence par analyses spectrales Notion de la maturité des composts Evaluation du degré de maturité des composts Test d auto-échauffement Test de respirométrie ou AT Extraction des fractions humiques et fulviques Caractérisation physico-chimique des composts Caractérisation de la matière organique des composts Fractionnement biochimique Identification par pyrolyse Extraction des lipides Mouillabilité des composts 69 Conclusion 71 Références 73

7 - 7 - RESUME Il existe divers types de boues. Celles traitées dans le cadre de notre étude bibliographique sont : les boues de stations d épuration, boues fluviales et boues marines. Elles sont composées de matières non dissoutes, de matières organiques, de matières azotées, du phosphore et des milliards de micro- organismes. Ces boues sont quelquefois incinérées, valorisées surtout en agriculture et de plus en plus utilisées dans le Bâtiment et Travaux Publics (B. T. P.) comme matériaux de construction. MOTS MATIERES Boues Composts Environnement Valorisation Epandage Incinération

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9 - 9 - ABSTRACT There are various types of muds. Those treated within the framework of our Bibliographical study are muds from purification stations, river muds and marine muds. They are made up of non-dissolved matter, organic matter, nitrogenized matter, Phosphorus and billions of micro-organisms. These muds are sometimes incinerated, developed especially in agriculture and are being used more and more in the construction industry as construction materials. KEY WORDS Muds Composts Environment Valorization Spreading Incineration

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11 INTRODUCTION De nos jours et dans tous les secteurs, la préoccupation environnementale est très marquée et se caractérise principalement par la valorisation de déchets industriels. Depuis quelques années, l Ecole des Mines de Douai (par le biais du département Génie Civil) travaille sur la valorisation des boues marines et fluviales peu polluées et des composts. Aujourd hui, le traitement des boues de stations d épuration (STEP) se révèle compétitif par compostage et épandage ou par incinération, en offrant des garanties sanitaires indéniables. Ce type de procédé industriel qui valorise les boues organiques n intéresse pas uniquement la région Nord-Pas-de-Calais car d autres régions telles que le Var, la Haute Normandie ou la Picardie sont également en plein dans la recherche de la valorisation des boues. D autres pays aussi s y intéressent tels que le Canada, la Hollande ou encore la Belgique. Mais le but de notre étude bibliographique consiste donc à définir les facteurs de valorisation des boues de stations d épuration considérée comme déchets, pour pouvoir être utilisables. Dans le souci d identifier ces paramètres qui traduisent au mieux cet aspect, nous traiterons principalement de : boues de STEP boues fluviales boues marines filières de traitement de boues risques compost et compostage

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13 PARTIE I : LES BOUES DES STATIONS D EPURATION

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15 1- Origine des boues Afin de réduire les rejets directs dans l environnement des eaux usées urbaines, les stations d épuration se sont multipliées en France et en Europe. A l issue du traitement dans ces stations, l eau épurée est rejetée dans le milieu naturel et les résidus constitués par les matières en suspension et les substances dissoutes forment les boues. Les matières en suspension sont recueillies dans les bassins de décantation des stations où elles constituent les << boues primaires >> Ces boues primaires sont constituées essentiellement des matières organiques et minérales en suspension dans l effluent. N ayant pas subi de décomposition, elles sont très instables et putrescibles. A ces matières s ajoute une charge polluante sous forme dissoute et colloïdale. Le plus souvent, pour éliminer cette pollution, on utilise des procédés biologiques d épuration grâce à des bactéries qui consomment la matière polluante biodégradable. Ces bactéries se multiplient et il faut en évacuer l excès qui constitue les boues secondaires. Ces deux types de boues sont des produits inévitables de l épuration et on ne sait pas aujourd hui réduire de façon notable leur quantité. 2- Les stations d épuration La France compte environ stations d épuration. 50% d entre elles sont de taille inférieure à 1000 équivalents-habitants (EH). Celles dont la taille est supérieure à EH représentent 2% d entre elles, et traitent 50% de la masse des boues produites. Les 85% de stations dont la taille est inférieure à 5000 EH produisent 16% des boues qui se présentent pour l essentiel sous forme liquide. 3- Composition des boues La composition des boues varie en fonction des caractéristiques de l effluent d arrivée à la station et du type de traitement mis en œuvre. La teneur en eau Les boues sont riches en eau à la sortie de la station d épuration, elles peuvent contenir jusqu à 95% d eau sous forme de : eau libre séparable par décantation (±70%) eau d hydratation colloïdale séparable par centrifugation ou filtration sous pression réduite eau capillaire séparable par filtration sous pression élevée (filtre presse) eau cellulaire inséparable mécaniquement, séparable par traitement thermique (10%) Par des procédés mécaniques ou thermiques, les boues peuvent donc perdre une partie de leur eau. Cependant, pour rester à l état liquide, il faut que la teneur en matières sèches reste inférieur à 10%. Il faille également signaler que tous les procédés de

16 déshydratation, pour obtenir des boues pelletables ou solides, entraînent des dépenses supplémentaires. La matière organique : Par tonne de matières sèches, la boue contient en moyenne autant de matières organiques qu un fumier mais la nature est différente. Elle est constituée de micro-organismes et des produits de leur métabolisme, alors que dans le cas d un fumier elle est composée de lignine et de matières cellulosiques. Les teneurs en carbone sont de l ordre de 40% de matières sèches. Selon les résultats d expériences récentes, 50% du carbone serait minéralisé la première année, le reste se transformerait progressivement en humus dans le sol. L azote La teneur en azote des boues varie de 3 à 7% avec une valeur moyenne de 4%. L azote est présent sous différentes formes, plus ou moins rapidement assimilables par les plantes. L azote contenu dans les matières en suspension est essentiellement organique. A l inverse, celui de la phase liquide est souvent sous forme minérale (nitrates ou ammonium) directement assimilable. Il en ressort que les boues liquides peuvent être considérées comme des amendements azotés (50% de l azote serait disponible la première année de culture) L azote étant l élément auquel la production végétale est la plus sensible, il est essentiel de connaître dans quelle proportion et à quelle vitesse l azote serait libéré sous forme assimilable afin de choisir les périodes d épandage les plus favorables et d ajuster la fumure minérale complémentaire en fonction des besoins des cultures. On peut retenir : teneur en azote > 5% Rapport carbone sur azote faible (C/N < 8) : minéralisation rapide la première année teneur moyenne (2 à 5 %) C/N stable (10 à 14) : libération lente d azote minéral teneur faible (< 2%) C/N> 15 : immobilisation prolongée de l azote minéral dans le sol- risque de carence Le phosphore Les boues sont toujours riches en acide phosphorique (de 3 à 7% de matières sèches). Il provient à 60% des détergents et à 40% des matières fécales. Le phosphore contenu dans l acide phosphorique est assimilable à 50%. Cet élément constitue un facteur intéressant pour la valorisation des boues compte tenu du prix de l acide phosphorique.

17 Le potassium En général les boues sont pauvres en potassium (0,5 à 1,5% de la M.S.) car cet élément reste en solution dans les eaux rejetées. Le calcium En revanche, elles sont très riches en calcium (4 à 5,5% de la M.S.). Les boues traitées à la chaux se comportent comme de véritables amendements calcaires. Le magnésium L apport en magnésium n est pas à négliger (0,4% de la M.S.). Cet élément devient très intéressant lorsque les sols en sont carencés Le sodium Cet élément n est pas retenu et reste en solution dans les eaux épurées Teneurs moyennes en éléments fertilisants des boues urbaines Eléments fertilisants Moyenne (% en M.S.) Valeurs extrêmes (% en M.S.) Matières sèches (M.S.) 4 3 à 6 Matière organique (M.O.) à 70 Carbone à 47 Azote total 4,5 3 à 7 C/N 8,5 6,7 à 11,5 Acide phosphorique (P2O5) 4,5 3 à 7 Potasse (K2O) 0,7 0,5 à 1,5 Chaux (CaO) 4,8 4 à 5,5 Magnésie (MgO) 0,4 0,35 à 0,5 Sodium (Na2O) 0,27 0,2 à 0, 3 Les métaux lourds Origine de la présence des métaux dans les boues cadmium cuivre zinc nickel mercure plomb sélénium Métaux ORIGINES Eaux de ruissellement des voies de circulation Canalisations d eau Produits pharmaceutiques ou domestiques, conduites d eau, eaux de ruissellement Peintures, laques, produits cosmétiques Produits pharmaceutiques ou domestiques, antifongiques Canalisations d eau, peintures, eaux de ruissellement des voies de circulation Peintures, insecticides

18 Métaux Teneurs en métaux des boues, des sols et des plantes Teneurs en matière sèche des boues domestiques (mg / Kg) Teneurs en matière sèche relevée dans des boues contaminées (mg/ Kg) Maximum << normaux >> dans les sols en mg/kg sec Maximum normaux dans les plantes en mg / Kg sec Valeurs limites fixées par la norme AFNOR U (mg / Kg) zinc 2000 à manganèse 200 à cuivre 200 à plomb 100 à chrome 50 à ,1 200 nickel 25 à cadmium 5 à , mercure 2 à ,1 8 cobalt Les origines de la présence des métaux dans les boues sont variées et spécifiques à chaque métal. Certains de ces éléments chimiques sont nécessaires à la production végétale jusqu à un certain seuil, ce sont des oligo-éléments : Fe-Zn-Cu-Mn-B-Mo-Co-Se. Au delà du seuil limite, ils deviennent phytotoxiques. D autres, issus en général d effluents industriels (Cd-Pb-Hg-Ni ), ne sont pas utiles à la production végétale et sont toxiques pour le sol et les plantes. Les germes pathogènes Les boues contiennent encore des micro-organismes et germes pathogènes présents dans les eaux résiduaires. Cependant, les conditions de vie ne sont pas favorables lors du traitement des boues et de l épandage (température, humidité, nutriments nécessaires à leur bon développement). Aussi, ils disparaissent assez rapidement. 4- La réglementation Des textes réglementaires définissent des obligations sur les teneurs maximales autorisées en polluants. Le décret précise les conditions d épandage des boues issues du traitement des eaux usées pour un emploi sur des sols agricoles ou forestiers ou pour une

19 revégétalisation. L arrêté définit les prescriptions techniques d applications pour un épandage agricole. Elles résultent d une large concertation et prennent en compte les travaux menés par l INRA et les recommandations établies par le Conseil supérieur d hygiène publique de France : des produits homologués comportant une fraction de boues de STEP et d autres composés (les composts) devront répondre à la future norme d application venant se substituer à la norme NF U aujourd hui abrogé définissant les matières fertilisantes une étude préalable à l épandage est systématique. Elle est prévue quelle que soit la quantité de boues mise en jeu (caractéristique des sols, analyse des contraires du milieu récepteur, caractéristiques des boues, types de cultures, conditions d épandage afin d assurer l adéquation entre les caractéristiques des boues et les systèmes agropédologiques récepteurs, accord de l exploitant) un programme prévisionnel annuel d épandage pour les stations de plus de 2000 EH est rendu obligatoire ainsi qu un bilan annuel du programme d épandage ; l autosurveillance des boues est assurée par le producteur. Son arrêté d exploitation prévoit la fréquence et les paramètres à analyser les épandages sont soumis à déclaration (loi sur l eau) dès que la quantité de boues produites excède 200 EH (soit 0,15 t/an d azote ou 3t/an de MS). Au-delà de 5000 EH, ils sont soumis au régime d autorisation la qualité des boues doit assurer leur innocuité. Les seuils en éléments traces se trouvent réduits par rapport à la norme NF U comme le souligne le tableau ci-dessous : Seuils autorisés d éléments traces dans les boues destinées à l épandage Teneurs limites dans les boues (mg/kg de MS) Flux maximum autorisé (g/m²) Eléments tracés NF U Arrêté du 8/1/98 NF U Arrêté du 8/1/98 Cd 40 20* 0,06 0,03 Cr ,5 Cu ,5 Hg ,03 0,015 Ni ,6 0,3 Pb ,4 1,5 Zn ,5 * 15 mg/kg de MS du 1er janvier 2001 et 10 mg/kg de MS à compter du 1er janvier des teneurs limites et des flux maxima de polluants organiques sont définis pour les HAP et les PCB des précautions d usage sont stipulées concernant la pollution par les micro-organismes. Des limitations d usage sont introduites à l égard des habitations, des cours d eau, des points d eau des délais minima instaurés avant mise en pâture des animaux ou mise en cultures maraîchères. Un traitement préalable d hygiénisation efficace permet d assouplir ces contraintes la traçabilité des épandages doit être assurée. Les registres doivent en outre préciser les parcelles cadastrales traitées. Les mélanges de boues sont exclus le stockage ne doit pas générer de pollutions ou de nuisances. Les lixiviats doivent être collectés et les dépôts en boues de champ ne portent que sur des boues solides stabilisées et pour des durées réduites. Ces dépôts ne doivent pas menacer les

20 nappes voisines par des infiltrations. Des stockages de longues durées (6 à 9 mois) sont à prévoir afin de faire face aux périodes d épandage impraticable (nécessité liée aux besoins des plantes, champs inaccessibles par pluies trop fréquentes) les apports en nitrates se trouvent limités à 350 kg d azote/ha/an sur les prairies et 200 kg/ha/an pour les autres cultures. Ces Textes ne suffisant pas à apaiser les inquiétudes, le gouvernement à mis en place le 5 février 1998 un comité national sur l épandage des boues agricoles afin de restaurer la confiance et de favoriser un climat de transparence entre les parties prenantes de la filière. Les règles de l art semblent aujourd hui connues. Il est prévu de plus d introduire un dispositif d assurances souscrites par les producteurs de boues afin de couvrir les exploitants agricoles des dommages éventuels. Un contrôle renforcé, voire une certification des pratiques d épandage, sont envisagés. La définition des produits labellisés en matière de qualité et de sécurité alimentaire par les grands groupes de la distribution est en cours d étude : faut-il éviter de poursuivre le souci de traçabilité d usage courant en matière de traitement des déchets jusqu au consommateur final? Ce dernier ne risque-t-il pas à terme de refouler les produits alimentaires issus de la culture sur un sol ayant subi un épandage? Ces questions devraient faire l objet d un accord national visant à développer l information et la sensibilisation avec l Association nationale des industries agroalimentaires et la Fédération du commerce et de la distribution afin «d éviter toute stratégie commerciale discriminatoire par rapport à l épandage». L apparition de nouvelles maladies a tendance à générer de nouvelles contraintes sur les épandages de boues. C est le cas de l ESB pour laquelle certains Länder allemands envisagent d interdire l épandage des boues de stations d épuration. Un effet d entraînement peut jouer, ce qui conduit à penser qu à chaque future épizootie la question de la poursuite de l épandage agricole serait réexaminée Valorisation La valorisation agricole L agriculture intensive provoque bien des nuisances dont une baisse du taux d humus qui pose des problèmes de dégradation de la structure des sols et de baisse de rendement. Cela s observe principalement dans les zones de grandes cultures où l abandon progressif de l élevage a modifié les pratiques culturales traditionnelles et notamment l épandage périodique de fumier. C est ainsi que l agriculture s oriente vers l utilisation de sources non conventionnelles de matière organique : les boues des stations d épuration urbaines. En effet, elles contiennent de nombreux éléments pour une grande part nécessaire à la croissance des plantes, leur conférant ainsi une valeur agronomique. L utilisation de ces boues en agriculture est donc souhaitable, car elles sont de bons conditionneurs de sol. Leur valeur d engrains dépend principalement des éléments indispensables aux plantes (N, P, Ca, matières organiques ) qu elles contiennent. Leurs oligo-éléments (Zn, Cu, Mn, Co, Fe ) sont aussi nécessaires à la production végétales jusqu à un certain seuil de concentration. Toutefois, les métaux lourds sont nocifs et doivent être quasi absents, il en est de même des virus, parasites et autres agents pathogènes.

21 D autres part, l épandage des boues permet aux agriculteurs de réduire leurs dépenses en matière d engrais, car elles jouent le même rôle et leur coût d épandage est plus faible. En effet, les agriculteurs n ont généralement à leur charge que les frais de transport et d épandage. Dans la pratique, avec la volonté de promouvoir l utilisation agricole des boues, l épandage est souvent pris en charge par les collectivités ou s accompagne d une participation financière des communes. L épandage agricole reste donc une solution facile et commode mais qui de ce fait doit être strictement contrôlée et il est exclus de le pratiquer sans précautions. Il nécessite : l établissement d un plan d épandage comprenant : un bilan quantitatif et qualitatif du produit une démonstration de la non toxicité une recherche des débouchés une prise en compte des contraintes environnementales état du milieu (géologique, hydrologique, pédologique) conduite agronomique (assolement, fertilisation, déjections animales) définition des modalités pratiques d utilisation : dose et fréquence, fertilisation complémentaire, zones d épandage un suivi agronomique très strict l utilisation de matériels appropriés garantissant la parfaite régularité et la maîtrise de l épandage, l absence de propagation d aérosols et la limitation des odeurs. Si la valorisation constitue un débouché pour les stations d épuration urbaines, elle doit être rigoureusement contrôlée pour éviter que les terres agricoles ne deviennent des dépotoirs pour des résidus dont on ne saurait plus que faire. L organisation de l épandage agricole des boues résulte donc de la prise en compte des facteurs humains, de milieu naturel, technique, économique et réglementaire. Les facteurs humains Il convient de s intéresser aux préoccupations de l ensemble de la population agricole mais aussi urbaine qui habite aux alentours des périmètres d épandage. En effet, il y a plus de problèmes d acceptation par la population de délocaliser des utilisations de boues. L enquête publique accompagnant l autorisation préfectorale d épandage et la réalisation du plan d épandage permettant de répondre à ces préoccupations. En ce qui concerne la population agricole, il convient de définir les intervenants réalisant les épandages et l organisme assurant le suivi agronomique. Le milieu naturel L étude du milieu naturel détermine la localisation du périmètre, la superficie nécessaire et celle réellement disponible pour les épandages. Il faut surtout examiner les points suivants : les périmètres de protection de la ressource en eau et notamment leur emprise sur les zones cultivées

22 le type de sol : la plupart des sols peuvent recevoir des boues résiduaires, les plus favorables étant ceux qui possèdent une texture moyenne. Les sols à texture plus fine conviennent bien également et peuvent voir leur structure améliorée par un apport de boues. Les sols sableux sont moins favorables, surtout s ils sont acides. En effet, la mobilité de la plupart des métaux toxiques augmente fortement lorsque le ph diminue. On s abstient donc d épandre des boues de ph < 6 ; inversement, un sol calcaire ou un apport de boues chaulées immobilise provisoirement la plupart des métaux. D autre part, les boues peuvent être utilisées pour améliorer des sols très pauvres ou même recréer complètement des sols à partir de déblais de mines de carrières. Cet apport de matière organique stabilise les sols en augmentant la capacité de rétention, en diminuant le ruissellement et en permettant une revégétalisation. le degré de spécialisation de l agriculture, celui-ci peut conduire à une forte restriction ou à l utilisation des boues. Dans de nombreux pays, une part importante de boues (jusqu à 60-75%) est utilisée sur prairies temporaires ou permanentes. Ce fait s explique par la grande souplesse d utilisation ; l épandage peut s effectuer pratiquement en toute saison, l herbe s accommode parfaitement d une minéralisation progressive de l azote organique. Par contre, il faut se méfier des problèmes d ordre sanitaire. L utilisation des boues en grande culture doit tenir compte de leurs particularités, notamment pour fixer les doses d épandage. Dans la plupart des cas, on se base sur la valeur fertilisante azotée potentielle de façon à n apporter que la quantité nécessaire aux cultures. Mais en raison de l influence du climat sur la minéralisation, il est impossible de prévoir exactement quelle quantité d azote est réalité disponible. Ceci est un obstacle pour l utilisation des boues sur certaines céréales comme le blé. Le maïs, la pomme de terre et la betterave peuvent également recevoir des boues résiduaires. Généralement, cet apport s accompagne d une fertilisation avec des engrais minéraux. Les producteurs maraîchers utilisent des amendements organiques à forte dose mais, bien que les boues résiduaires aient parfois été employées, cette utilisation n est absolument pas souhaitable pour des raisons sanitaires et à cause des métaux lourds. Quant à la sylviculture, l épandage y est très difficile à mettre en œuvre : de grandes doses de boues sont nécessaires mais quelques constituants comme les chlorures nuisent à certains espèces d arbres. le type d assolement : il conduit à un temps de stockage plus ou moins long et à la définition pratique des doses et des fréquences d apport. En moyenne, la quantité apportée varie de 50 à 80 m3 par hectare et par an d une boue à 6% de matières sèches. La période d apport tient compte du fait que les éléments fertilisants ne sont pas immédiatement disponibles pour les plantes, l importance de l élevage, l excès de fumier, lisier et fientes peut concurrencer l utilisation des boues, la mise en jachère des terres agricoles, cette nouvelle pratique conduit à une interdiction temporaire ou permanente d épandage des boues. Les facteurs techniques La taille de la station d épuration conduit à des choix technologiques de traitement des boues et à l obtention d un produit épandable sous forme liquide (2 à 6% M.S.), pâteuse (15 à 20% M.S.) ou solide (au moins 30% M.S.). Ces choix influent sur les quantités de boues évacuables et sur les surfaces nécessaires à leur épandage.

23 D autre part, le stockage des boues est inévitable car il répond à une production en continu et à une utilisation agricole saisonnière. Il correspond généralement à 4-6 mois de production de boues. Quand le stockage sur le site de la station d épuration n est pas possible, il est réalisé à proximité immédiatement des sites d épandage. Les boues pâteuses à liquides, d une siccité inférieure à 15%, s épandent avec une tonne à lisier munie d une pompe volumétrique ou d un compresseur après homogénéisation dans le stockage. De même que précédemment, il en résulte une régularité et un dosage médiocres. Les boues pâteuses à solides, d une siccité supérieure à 15%, sont transportées par camion «poly-benne» spécial pour les boues et reprises au chargeur. Elles sont épandues avec un matériel étanche à système de distribution par disques. Ce type de matériel est capoté lors du transport afin de minimiser les problèmes d odeurs. Il permet une régularité et un dosage précis lors de l épandage. Les facteurs économiques Une opération d épandage peut se dérouler aux conditions économiques les plus diverses. Pour les petites stations d épuration (inférieure à 5000 équivalents habitants), l épandage est souvent réalisé par un ou deux agriculteurs sans rémunération spécifique. Le nombre de cas de rémunération augmente fortement, avec des valeurs comprises entre 10 et 40 F/m3. Le matériel est souvent acheté par la collectivité et mis à disposition des agriculteurs. Pour les stations produisant des boues pâteuses à solides, la prestation payante est généralisée. Les coûts varient entre 40 et 100 F/m3 (hors transport et hors suivi agronomique) Les facteurs réglementaires En plus l application de la réglementation française sur l utilisation agricole des boues, il convient de vérifier les conditions locales d application de la loi sur l eau et notamment le plan d épandage et le suivi agronomique 5-2- L incinération Par l incinération, on élimine l eau interstitielle et la matière organique de la boue. Seules subsistent les matières minérales qui forment les cendres représentant environ 10% du poids initial de la boue. L incinération des boues est un traitement de destruction coûteux, réservé pour l instant à des stations d épuration d une capacité supérieure à équivalents habitants. Les boues peuvent être incinérées seules ou en mélange avec les ordures ménagères. Ce traitement doit tenir compte des caractéristiques variables des boues : pouvoir calorifique (4 000 à Kcal/kg), présence d éléments agressifs vis-à-vis des réfractaires, aptitude à l émission de substances gazeuses, toxiques ou malodorantes.

24 La capacité de la boue à être incinérée est fonction de la siccité et du taux de matières organiques. Plus ces valeurs sont élevées, plus l incinération est aisée. L autocombustion peut être atteinte à partir de 30% de matières sèches et 65% de matières organiques. Les techniques développées à ce jour permettent d incinérer, outre le tonnage d ordures ménagères pour lequel est dimensionné le four, des quantités de boues pâteuses correspondant environ à 20% de ce tonnage. La co-incinération des boues sèches est nécessaire si l on veut accroître la proposition de boues incinérées par rapport aux ordures ménagères incinérables. Il faut alors surdimensionner le four puisque la boue séchée vient en substitution des ordures ménagères. Les principaux incinérateurs sont : le four rotatif, le four à séchage rapide, le four à soles multiples ou four à râbles, le four à lit fluidifié, le four à destruction par voie directe. Le four rotatif C est le plus ancien type d incinérateur. Il peut fonctionner à co-courant ou à contrecourant. Ce four est polyvalent, il convient à l incinération des boues mêmes ou à humides. Les frais d investissement et d exploitation sont relativement faibles. Malheureusement, la mise en service de ce four n est pas toujours rapide et la température dans la zone d incinération est difficile à maîtriser. Le four à séchage rapide Ce type de four convient à l incinération de mélanges de déchets ménagers et des boues déshydratées dont le taux d humidité ne peut dépasser 35%. Le séchage rapide se fait dans une cage séchoir par les gaz chauds sortant du four. Les boues séchées sont ensuite introduites dans la chambre d incinération. L avantage de ce four réside dans sa mise en service et hors service extrêmement rapide (environ 30 minutes). Par contre, les frais d investissement et d exploitation sont élevés. Les gaz sortant du séchoir sont très malodorants et doivent être brûlés dans l incinérateur avant rejet à l atmosphère. Le four à soles multiples Ce four largement utilisé en Europe comprend en général 4 à 17 plateaux (soles) et un arbre vertical mobile, équipé de pales racleuses (râbles), munies de dents assurant le passage des déchets d une sole à l autre. La partie supérieure du four fonctionne comme sécheur et pré chauffeur, la partie médiane constitue la zone d incinération proprement dite, la partie inférieure permet le refroidissement des cendres avant évacuation. La température atteinte est de 750 C à la partie inférieure et de 250 C à la partie centrale. On compte qu un four de 5,70 m de diamètre à 6 étages permet de traiter par jour une quantité de boue correspondant à environ 20 tonnes de matières sèches. Cet appareil robuste et d exploitation aisée convient aussi bien pour l incinération des boues que des déchets solides ménagers. Le rendement thermique est élevé, le réglage de la température est précis et la désodorisation des gaz est donc excellente. Toutefois, les frais d investissement sont relativement élevés.

25 Le four à lit fluidisé La technique du lit fluidisé consiste à mettre en suspension des particules de solide dans un courant gazeux dont la vitesse est comprise entre deux valeurs limites correspondant respectivement au lit fixe (les particules ne sont alors animées d aucun mouvement) et au transport pneumatique. Pour l incinération des boues, le procédé fait appel à la technique du lit fluidisé auxiliaire qui consiste à introduire une fois pour toutes dans le fluidiseur, lors de la mise en route de l installation, un solide de granulométrie plus grossière que le solide à traiter, par exemple du sable de rivière. On utilise alors des vitesses de fluidisation beaucoup plus importantes que ne le permettrait le produit à traiter s il était seul à être fluidisé. En effet, en tombant dans la couche auxiliaire, le produit est divisé par le sable en mouvement et il y est piégé suffisamment longtemps pour être séché et brûlé, lorsqu il en sort entraîné par les gaz. Les fours au lit fluidisé ont un fonctionnement très souple leur permettant de brûler à 750 C aussi bien les boues que les liquides. Le réglage très précis de température (combustible d appoint, large excès d air) assure une désodorisation excellente des gaz. Il faut ajouter à cela les avantages d un système entièrement automatique et l absence de pièces mobiles dans l incinérateur. Les principaux inconvénients de ce procédé résident dans son coût : frais d investissement et d exploitation, rendement thermique peu élevé car les cendres sont évacuées du four à des températures assez élevées ( C), nécessité d une installation importante de dépoussiérage puisque la quasi-totalité des cendres quitte le four en même temps que les gaz. Le four à destruction par voie directe Ce type de four ne convient que pour les boues liquides. Le four comprend une chambre de combustion généralement cylindrique équipée de brûleurs spéciaux pour résidus liquides, il peut être précédé d un four à incinération pour déchets solides ménagers. Une unité d incinération comprend par ailleurs des systèmes annexes pour traiter les sous produits générés par la combustion : les fumées et les cendres. En effet, bien que la combustion soit un procédé de destruction totale, les fumées contiennent des produits de combustion (HCl, SO2, NOX, poussière, métaux lourds) qui ne peuvent pas être rejetés à l atmosphère sans traitement préalable. De même, les cendres doivent subir un traitement complémentaire pour permettre leur valorisation ou leur mise en décharge. En raison de la réglementation européenne, l unité de traitement des fumées issues de l incinération des boues urbaines doit intégrer un système de dépoussiérage par électrofiltre suivi d un lavage humide pour éliminer les polluants acides et les métaux lourds volatiles La valorisation thermique et électrique La digestion des boues de la station d épuration s accompagne d un dégagement d un biogaz composé de 65% de CH4, de 33% de CO2 et de 2% d H2S. Le PCI de ce biogaz est de 5à 6 kwh.m-3. Les Nm3 (21 tonnes équivalent pétrole) produits quotidiennement à Valenton sont valorisés sur place comme source d énergie pour les besoins internes de la station.

26 La valorisation peut prendre plusieurs formes (après compression) : thermique d abord car le biogaz alimente, à raison de m3 par jour, une chaudière qui permet le chauffage des quatre digesteurs primaires, du digesteur secondaire et des locaux. La digestion des boues nécessite en effet une température de 35 C. Par ailleurs, une partie des boues produites étant incinérée sur place, le four à lit fluidisé de la station a été équipé d un brûleur au biogaz. Cette valorisation est utilisée notamment lorsque la qualité des boues séchées ne permet pas leur auto-combustion. électrique ensuite pour un tiers de la production ; le biogaz alimente deux moteurs diesel/gaz qui fournissent plus de kwh par jour d octobre à mars pour effacer les pointes de consommation EDF. Le biogaz fournit alors 32 % des besoins en électricité et représente 40% de la facture énergétique. Mais les apparences peuvent être trompeuses. Cette utilisation provoque une usure et des casses prématurées des moteurs ce qui entraîne des coûts de maintenance assez élevés (1044 kf par an). NB : 9000 Nm3 de biogaz vont à la torchère chaque jour. L usine de Valenton va s étendre avec notamment un doublement du nombre de bassins et de digesteurs. Au jour d aujourd hui la valorisation électrique du biogaz n est pas envisagée sur ce nouveau site sans aucun doute pour des raisons évoquées plus haut. Eléments économiques Valorisation thermique Coût d investissement Coût de maintenance Production de chaleur Economies sur la consommation du fioul Temps de retour Valorisation énergétique Coût d investissement Coût de maintenance Production d électricité Economies sur la facture EDF Temps de retour 3,6 MF 250 Kf par an 3300 tep par an 2112 kf par an environ 2 ans 15 MF 1044 Kf par an 4750 MWh par an 3216 kf par an Environ 7 ans

27 PARTIE II : LES BOUES FLUVIALES

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29 1- Origine des boues Les boues de dragage et curage sont le produit de l extraction des sédiments qui se sont déposés sur le lit des cours d eau. Ce dragage est rendu nécessaire pour des raisons hydrauliques, et/ou nautiques, ou pour des motifs d assainissement des dits lits. Ces sédiments proviennent de l érosion des sols ou des berges. Les sédiments ont également pour origine des rejets domestiques ou industriels. Ils se déplacent par charriage et/ou suspension. 2- Qualité des boues La concentration des matières polluées est la plus élevée dans les lits des cours d eau navigables. Les mêmes produits chimiques constituent un problème dans les deux types de cours d eau : il s agit d huiles minérales, de pesticides organo-chlorés, d hydrocarbures polyaromatiques et de métaux lourds, tels que le plomb, le cadmium, le cuivre, le mercure et le zinc. Les polychlorobiphényles et le chrome sont surtout un problème pour les cours d eau navigables. La réutilisation des boues de dragage et de curage (ex situ du lit des cours d eau) relève de la politique de gestion des déchets, et plus particulièrement du règlement des normes en vigueur. 3- Traitement et débouchés des boues de dragage et de curage Il existe divers moyens techniques pour traiter les boues de dragage afin d en fabriquer des << matériaux secondaires >>, mais pour l instant, ils ne connaissent pas de succès majeur. Par exemple, les possibilités de déshydratation sont prometteuses, mais leur applicabilité est limitée par la destination finale de la fraction déshydratée. D autres techniques de traitement des boues ne sont pour ainsi dire pas appliquées. Le dessablage offre de bonnes perspectives, mais il n est pas stimulé. Aux Pays Bas, la technique du <<lagunage>> est appliquée sur une échelle limitée pour l instant. Les techniques de traitement thermiques ont été testées de manière restreinte en Belgique, par exemple, comme matière première pour l industrie du ciment ou pour la production de gravier artificiel ou de briques. Il ressort des données récoltées en France que le coût constitue une entrave importante, ainsi que la crainte de l image négative des matériaux secondaires produits. La plupart des entreprises de traitement et celles qui sont confrontées aux problèmes espèrent cependant vivement que ces techniques apporteront une solution dans l avenir. Pendant longtemps l épandage des boues hydratées sur les berges des cours d eau a été la technique la plus courante pour les boues prélevées des cours d eau non navigables. Peu à peu on s est cependant rendu compte que les lits de ces nombreux cours d eau étaient fortement pollués, ce qui a conduit à remettre en question cette technique.

30 Les applications des boues de dragage ou de curage sont la réutilisation en tant que matériau de construction << brut >> (par exemple pour le remblayage de routes ou de digues ),ou en tant que matériau de construction <<modifié >>, après traitement thermique de la fraction d argile contenue dans les boues, afin d en produire du gravier artificiel, du basalte artificiel ou des briques.ces techniques ont été testées en région Flamande (Belgique), mais elles ne sont pas encore appliquées à grande échelle, principalement en raison du coût et des débouchés limités des matériaux de construction recyclés.

31 PARTIE III : LES BOUES MARINES

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33 1- Origine Les boues marines sont composées de particules issues de l eau de mer et de la terre. Avec le temps se forment des sédiments argileux. Outre sa composition en sels minéraux, oligo-éléments et vitamines, cette boue possède des propriétés de plasticité et de rétention de la chaleur intéressantes pour la thalassothérapie. La boue marine s applique directement sur la peau qui absorbe les oligo-éléments présents dans la boue. La chaleur due à l enveloppement permet aux toxines d être libérées par la peau. Utilisée en cataplasmes ou sur le corps, la boue permet au corps de se débarrasser de ses impuretés et de se recharger en vitamines. civil. Ce qui nous intéresse, c est surtout l utilisation des boues marines dans le génie 2- Vers le recyclage des boues portuaires dans le bâtiment Aujourd hui, les ports sont le fer de lance de la mondialisation. En France, l activité portuaire enregistre 80% des échanges commerciaux du pays, 350 millions de tonnes de marchandises, 33 millions de passagers et des dizaines de millions de tonnes de déchets toxiques chaque année. A titre d exemple, une étude en 2001 estimait que, chaque année, près de 5000 tonnes de déchets toxiques parvenaient dans les seuls ports du Langue doc-rousillon, une région ni plus ni moins pire que les autres. Cet amalgame impressionnant de rejets et de déchets s agrège au sable, constituant une matière généralement dénommée vase ou boue marine. Jamais uniforme, souvent travaillée par des micro-organismes, se gorgeant à l occasion d hydrocarbures, d azote, de phosphore, de métaux lourds, cette boue représente un réel danger pour l environnement, d autant qu extraite des ponts pour maintenir un accès satisfaisant aux installations portuaires, elle est la plupart du temps rejetée en eaux profondes sans qu on connaisse réellement les conséquences environnementales de ces déversements. En outre, ces opérations d entretien représentent un coût important, appelé à exploser puisque les ports européens devraient se voir interdire, par l Europe en 2012, de rejeter en pleine mer les boues issues des dragages. Aujourd hui, si les opérations de traitement et, plus encore, de valorisation, sont rares et ne concernent que de faibles volumes, depuis trente ans, des chercheurs Français travaillent sur ce thème tandis qu un projet industriel pourrait les valoriser. Ce projet, à l origine duquel se trouve la société Paneurochina, s appuie sur l expertise française et la détermination chinoise, et propose d élaborer une unité mobile de traitement en continu des boues marines, intégrant un enchaînement d opérations depuis l extraction de la vase jusqu à la livraison d éco-matériaux de construction (remblayage des routes ou de parkings, bordures de trottoirs, parpaings, produits moulés, dalles, briques). Opportunistes d un point de vue économique en matériaux de construction, comme ailleurs, les chinois développent d ores et déjà des projets de valorisation de la

34 vase. Pour eux, le temps est à l action puisque selon une étude du ministère de l industrie chinois, l utilisation de la vase de mer pourrait générer des économies à hauteur de 50%, notamment, dans le domaine, du remblayage des routes. Si pour le moment leurs méthodes demeurent artisanales et les procédés aléatoires, en chine, les boues marines entrent déjà dans la fabrication de briques ou servent au remblaiement de route. Toutefois, à l heure actuelle, après extraction du bassin portuaire, la vase est généralement stabilisée ou solidifiée à l aide de ciments, de chaux et d autres additifs, avec un niveau de pollution chimique ou bactériologique qui reste flou. Aussi comme le note François de la Chevalerie, président de Paneurochina, «Si le risque de toxicité peut être envisagé pour la réalisation de sous produits routière, une extrême prudence concerne la réalisation de produits nobles, telles les briques ; un domaine où la France pourrait amener son expertise et faire de la valorisation des boues un business aussi économique qu écologique».

35 PARTIE IV : LES FILIERES DE TRAITEMENT DE BOUES

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37 Cette partie regroupe les opérations qui permettent de faire passer la boue de l état liquide, telle qu elle est extraite de la filière d épuration de l eau, à l état de produit-déchet évacuable vers sa destination finale. Les différentes opérations considérées sont d abord les traitements d épanouissement, de stabilisation, de conditionnement et de déshydratation, permettant d obtenir un produit solide ou au moins pâteux et ensuite les traitements complémentaires des boues pour pouvoir les évacuer plus facilement : le chaulage, le compostage et le séchage. La multiplicité des techniques utilisables et des techniques disponibles fait que le nombre de filières possibles est élevé. Le choix de la filière doit se faire en prenant en compte la nature des boues à traiter et leur destination finale. Deux objectifs sont souvent recherchés : réduire la quantité d eau contenue dans la boue pour en diminuer le volume à traiter stabiliser la boue pour en réduire le pouvoir fermentescible. 1- Du liquide au solide 1-1- L épaississement L épaississement est le premier stade, et le plus économique, dans le processus de réduction du volume des boues. Il permet de multiplier la concentration en matières sèches par un facteur compris entre 5 et 20 selon la nature de boue et la technique employée, tout en conservant au produit son caractère liquide. Cet épaississement des boues permet de réduire les ouvrages de stockage et d augmenter la concentration en éléments fertilisants. Il a recours à des procédés de nature physique, mais plus souvent de nature chimique par ajout de réactifs minéraux (sels métalliques, chaux) ou de polymères de synthèse (poly-électrolytes). Depuis quelques années, trois techniques d épaississement dynamique sont venues s ajouter à l épaississement par décantation. Elles permettent d obtenir de meilleurs taux d épaississement mais au prix d une forte dépense d énergie électrique éventuellement en réactifs. L épaississement pur décantation La décantation a pour objectif de donner une boue à la teneur en solide la plus haute possible. C est une opération de séparation mécanique par différence de gravité de phases non miscibles dont l une au moins est liquide. On distingue deux types d installations : les décanteurs statiques que l on coupe du circuit d alimentation en effluents pour la durée de la décantation les décanteurs à contact de boues que l on alimente périodiquement en effluent pour y maintenir la teneur en suspension, il en existe quatre types : le décanteur à lit de boues, dont la vitesse ascensionnelle est de 2 à 4 m/h. il s agit de faire circuler l eau usée de bas en haut à travers la masse de boues formées par floculation. On récolte en surface l eau clarifiée par son passage à travers le lit de boues. Le débit peut atteindre jusqu à m3/h.

38 le décanteur lamellaire dont la vitesse ascensionnelle est de 4 à 8 m/h. Il fonctionne selon le même principe que le précédent mais la présence des compartiments lamellaires augmente la surface de décantation considérablement et permet des installations plus compactes. le décanteur à recirculation de boues, dont la vitesse ascensionnelle est de 2,5 à 7 m/h. Les boues recyclées : après prélèvement de l eau clarifiée, elles sont mélangées avec la nouvelle eau à traiter avent d être à nouveau laissées en décantation. le décanteur épaississeur, dont la vitesse ascensionnelle dans la zone de décantation lamellaire est de 20 à 30 m/h. Il est composé d un décanteur à recirculation de boues externes et d un système de décantation lamellaire. L épaississement par égouttage Les grilles d égouttage G.D.E. (de la société Degrémont), avec l aide d un polyélectrolyte, donnent les meilleurs taux d épaississement et sont fréquemment employées en vue d une valorisation agricole sous forme liquide, sur les petites installations. Des équipements mobiles, desservant plusieurs stations sont réalisables.

39 L épaississeur par flottation Il consiste en une insufflation de bulles d air au sein de la masse liquide pour rassembler les boues. Les flottateurs SEDIFLOTAZUR à air dissous avec pressurisation directe sont bien adaptés à l épaississement des boues. Pour les boues d eau portable, très diluées, on utilise plutôt la pressurisation indirecte. Cet épaississement permet de réduire le volume des ouvrages par rapport à la décantation, de différer la fermentation des boues. La concentration de boues obtenue est de l ordre de g/l. L épaississeur par centrifugation La centrifugation est une opération de séparation mécanique, par action de la force centrifuge, deux à trois phases entraînées dans un mouvement de rotation. Les centrifugeuses de type décanteuses continues peuvent être adaptées à la fonction d épaississement. Pour obtenir un bon rendement de séparation des matières en suspension (M.E.S.), il est nécessaire d y introduire un peu de poly-électrolyte. Comparaison des divers procédés d épaississement Type Energie (kwh/t M.S.) Poly-électrolyte Concentration boue épaisse (g/l) Statique Non Flottation Non Centrifugation Préférable Egouttage Oui La stabilisation en phase liquide Les boues riches en polluants organiques sont instables et putrescibles. Elles possèdent encore des caractéristiques néfastes. Leur stabilisation a pour rôle de réduire le pouvoir fermentescible des boues, de façon à éviter les nuisances, notamment l apparition de mauvaises odeurs, lors de leur stockage et sur la chaîne de traitement. La destruction des germes pathologiques est parfois aussi recherchée. Cette stabilisation peut être assurée par injection de réactifs chimiques, en général de la chaux éteinte, soit en amont d un épaississeur de boues fraîches pour y bloquer les fermentations, soit sur boues liquides épaissies avant valorisation agricole. Même avec des doses allant jusqu à 30% de la matière sèche, il ne s agit que d une stabilisation temporaire, qui n autorise pas un stockage de longue durée. C est pourquoi, on préfère en général employer des méthodes biologiques, qui éliminent la matière organique facilement biodégradable, à l aide de bactéries spécifiques. Il existe même des procédés thermiques mais ils sont relativement peu performants.