La problématique des boues d’épuration dans un contexte industriel

1.1.1 Un exemple de contexte industriel

La Directive européenne n°91/271/CEE du Conseil du 21 mai 1991 relative au traitement des eaux urbaines résiduaires, impose de pourvoir à l’élimination des boues d’épuration. Elle est inscrite dans le droit français depuis 1992. L’obligation pour les collectivités locales de traiter les boues des stations d’épuration figure à l’article L2224-8 du Code Général des Collectivités Territoriales, auquel renvoie expressément l’article L214-14 du Code de l’Environnement. De ce fait, Veolia Environnement, ayant la gérance de l’assainissement d’un grand nombre de collectivités, assure le traitement des boues d’épuration. Ce groupe est l’un des leaders mondiaux des services à l’environnement et intègre au sein de son groupe, l'ensemble des services à l'environnement : des secteurs de l'eau avec Veolia Eau ; de la gestion des déchets avec Veolia Propreté ; des services énergétiques avec Veolia Energie ; et du transport avec Veolia Transport.

Veolia Environnement œuvre à travers Veolia Eau à faire évoluer la gestion de l’eau en favorisant la mise en place d’initiatives d’économie, de reconstitution des réserves et de distribution adaptées de l’eau.

La sophistication des traitements utilisés pour traiter les eaux usées, rendue nécessaire par l’aggravation des pollutions et l’élévation des standards de qualité de l’eau traitée, se traduit par une augmentation de la quantité de sous produits, avec en première ligne les boues d’épuration. Au niveau français, la quantité annuelle de boues produites est passée de 850 000 de tonnes de matières sèches en 1999 à 1 million de tonnes de matières sèches en 2005. Sur le plan européen, la production annuelle de matières sèches de boues d’épuration a également fortement augmenté de 5,5 millions de tonnes en 1992 pour atteindre 9 millions de tonnes en 2005. Dans le cadre des activités du groupe Veolia Environnement, à l’échelle internationale, les chiffres du tableau de bord (Tableau 1.1) indiquent que les volumes de boues d’épuration évacués ont augmenté de 17 % entre 2005 et 2007 pour ainsi atteindre 942 milliers de tonnes de matières sèches en 2007.

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Tableau de bord environnement Veolia

Environnement

Veolia Eau Unité 2005 2006 2007 2007 Rendement épuratoire global (stations de

traitement biologique d'une capacité de traitement supérieur à 50 000 EH)¹

% 78 79,7 79,7

Rendement épuratoire DBO₅ (stations de traitement biologique d'une capacité de traitement supérieur à 3 tonnes de DBO5 par jour-50 000 EH)^1,2

% 91 90,1 90 90

Quantité de boues évacuées Milliers tonnes MS 806 866 942 942

Production totale d'énergie (électrique et thermique)¹

Millions MWh 71,5 73,9 77,9 0,5 Production d'énergie renouvelable ou alternative

(électrique et thermique)

Millions MWh 11,2 12 15,4 0,5

dont énergies renouvelables¹ Millions MWh 9,5 0,5

1 Indicateur ayant fait l'objet d'une vérification externe

2 Indicateur répondant aux exigences de la loi sur les Nouvelles Régulations Economiques

Tableau 1.1 : Tableau de bord environnement de Veolia Environnement entre 2005 et 2007.

Au sein de Veolia Environnement, plusieurs filières pour le traitement et la valorisation des boues produites par les stations d’épuration sont développées avec au premier rang la valorisation agronomique par épandage (logique déchet soumise à une utilisation contrôlée) et compost (logique produit soumise à une normalisation et à une homologation) représentant 46 % du tonnage en 2007 (Figure 1.1). La valorisation sous forme de combustibles solides de substitution et l’incinération avec récupération d’énergie qui représentent 27 %0 permettent dans certains cas, d’éviter la consommation de combustibles fossiles.

Par ailleurs, les missions de Veolia Eau sont de préserver les ressources naturelles en diminuant la consommation des matières premières, en réduisant les émissions de gaz à effet de serre (GES) et en valorisant la biomasse produite sous forme d’énergies renouvelables. Ces missions contribuent à développer la digestion anaérobie comme une réelle filière de valorisation des boues d’épuration au sein des stations d’épuration. Ce procédé s’intègre donc comme une étape dans la chaîne de traitement des boues pouvant conduire à une valorisation finale du produit stabilisé via l’épandage agricole ou comme combustible. Ce traitement biologique est l’une des solutions aux problèmes environnementaux actuels et auxquels Veolia Environnement contribue. Appels et al. (2008) ont estimé que le potentiel de production de biogaz à partir de la digestion anaérobie est de 200 billions de m³ en Europe.

9 46%

5%

22%

18%

9%

Valorisation agronomique Combustible solide de récupération Incinération ou co-incinération Stockage

Autres

Figure 1.1 : Filières de valorisation des boues d’épuration pour Veolia Eau en 2007.

Ainsi, Veolia Eau a augmenté de 53 % en 2007 sa production d’énergies renouvelables à travers notamment le traitement des boues d’épuration par méthanisation. Plusieurs procédés industriels ont vu le jour afin d’améliorer les rendements d’abattement et également de permettre une meilleure hygiénisation du produit stabilisé grâce à des procédés tels que Biothelys^® (hydrolyse thermique à 150-180°C durant 30 min couplée à une digestion anaérobie mésophile), BioTherm^® (digestion anaérobie thermophile) et BioPasteur^® (prétraitement à 70°C durant 1 h permettant une hygiénisation des boues). Cette production d’énergie renouvelable au sein des stations d’épuration participe également à établir un meilleur bilan énergétique des procédés utilisés pour le traitement des eaux usées. En effet, la consommation d’énergie renouvelable produite par les unités de Veolia Eau atteint 6,8 % de

la consommation totale d’énergie sous forme électrique et thermique, qui s’élève à 6,7 millions MWh.

1.1.2 Les boues d’épuration

Les boues d’épuration sont issues de la pollution présente dans les eaux usées, engendrée par l’activité anthropique. Trois types d’eaux usées ont été définis : les eaux résiduaires urbaines (originaires de l’activité domestique) ; les eaux résiduaires industrielles (issues de l’activité industrielle) et les eaux pluviales. Toutes ces eaux usées sont recueillies sur le réseau d’assainissement afin d’être dépolluées dans une station d’épuration. L’épuration des eaux résiduaires consiste à réduire la charge en matières organiques et minérales. Lors de cette étape, il se produit un transfert de la pollution de la phase liquide (eau) vers une phase plus concentrée (boues) et une phase gazeuse (CO₂, N₂…). La production de boues résiduaires est donc totalement dépendante de la filière de traitement des eaux usées. La Figure 1.2 représente la filière traditionnelle de traitement des eaux usées.

10 Figure 1.2 : Filière traditionnelle de traitement des eaux usées.

Les étapes qui vont engendrer la production de boues d’épuration sont le traitement primaire et le traitement secondaire :

• le traitement primaire regroupe des procédés physico-chimiques visant à éliminer par décantation une forte proportion de matières organiques et minérales en suspension. A l'issue de ce traitement, environ 50 à 60 % des matières en suspension sont récupérées et forment les boues primaires,

• le traitement secondaire s’appuie sur des réactions naturelles biologiques pour éliminer les matières polluantes solubles (carbone, azote et phosphore). La dégradation s’effectue par un procédé à boues activées (ou bassin d’aération forcée), qui nécessite un apport en oxygène par aération. Ce procédé produit des boues résiduaires, appelées boues secondaires ou boues activées. À l'issue de ce traitement, une ultime décantation permet de séparer l'eau épurée et les boues secondaires. Cette décantation est opérée dans des clarificateurs. L'eau épurée peut alors être rejetée dans le milieu naturel. Les boues secondaires sont récupérées en fond d’ouvrage puis soit sont renvoyées vers le bassin d'aération pour y maintenir la concentration voulue en microorganismes épuratoires, soit extraites et envoyées sur la ligne de traitement des boues.

Le traitement secondaire est devenu le niveau minimal de traitement afin de répondre aux exigences réglementaires. Dans les petites STEP et dans les STEP récentes, le traitement primaire n’est plus ou peu utilisé, privilégiant directement le traitement secondaire. Ainsi, les travaux se sont axés sur l’étude des boues secondaires qui, par leur structure et leur composition, engendrent des performances limitées lors de leur valorisation par méthanisation.

11 1.1.2.1 Filières de traitement des boues d’épuration urbaines

Les traitements appliqués aux boues "brutes" ont plusieurs objectifs. Ils visent, selon la dévolution finale des boues, à réduire leur volume, leur pouvoir de fermentation lié à leur teneur en matière organique, ou éventuellement à les hygiéniser, c'est-à-dire à éliminer les bactéries et parasites présents. Ces traitements permettent de limiter les nuisances olfactives, les risques sanitaires, mais aussi de faciliter leur stockage, avant leur élimination ou leur valorisation. En général, il existe trois étapes :

• l’épaississement : le principe de cette première étape consiste à enlever une partie plus ou moins importante de l'eau contenue dans les boues pour ainsi réduire le volume de boues et augmenter la concentration des matières sèches : 3 à 8 % de siccité selon les techniques utilisées. L'épaississement des boues peut être gravitaire, ou s'effectuer par flottation, par égouttage ou par centrifugation. L'épaississement facilite en particulier les traitements ultérieurs,

• la déshydratation : permet de poursuivre l’opération d’épaississement en donnant à la boue une consistance plus solide répondant aux exigences de la destination finale. La déshydratation recourt à trois grandes familles de techniques : la filtration, la centrifugation et l’évaporation. Ces procédés nécessitent un conditionnement préalable des boues, généralement par un réactif floculant permettant d'agglomérer les matières solides et de favoriser ainsi la séparation liquide/solide. La siccité est d’environ 15 à 40% selon les boues et les installations utilisées,

• la stabilisation : elle permet de réduire le pouvoir fermentescible, ainsi que les nuisances olfactives. Il existe trois types de stabilisation : la stabilisation chimique (chaulage, stabilisation aux nitrites, oxydation), ou la stabilisation physique (séchage poussé), la stabilisation biologique (digestion aérobie ou anaérobie, compostage). Les stabilisations biologiques, notamment la digestion anaérobie, apportent plusieurs avantages : réduction de la matière organique, production d’un biogaz valorisable, diminution des nuisances olfactives, hygiénisation.

Ainsi, le procédé de méthanisation tend à devenir un procédé indispensable au sein des STEP grâce à ses nombreux avantages en termes de bilan environnemental et de bilan énergétique.