Le traitement des BRU

2.2.1 Les grands procédés de traitement

Le traitement des boues de STEP est réalisé afin de modifier leurs propriétés pour faciliter leur réutilisation ou leur stockage. Ces traitements ont pour but de (Scrimshaw et Jason 2002) :

 Stabiliser les boues (réduction de leur fermentescibilité),

 Réduire leur volume,

 Diminuer la contamination microbienne.

Bien qu’une configuration de traitement type n’existe pas, le traitement des boues se faisant selon des agencements variables d’un site à un autre, ces objectifs sont réalisés par l’intermédiaire de différents procédés selon un schéma général présenté par la Figure II-1.

Figure II-1 : Schéma général d'une filière de traitement des boues résiduaires (Boeglin 2000)

Les boues liquides sont d’abord épaissies, stabilisées, conditionnées, déshydratées puis réutilisées ou enfouies. La stabilisation des boues est atteinte de façon biologique (digestion ou compostage) ou chimique (chaulage). La réduction de volume des boues est atteinte par diminution de la teneur en eau par des procédés d’épaississement, de déshydratation, de séchage, de centrifugation ou de filtration. Enfin, les boues peuvent être désinfectées de façon thermique (pasteurisation) ou chimique (augmentation du pH par la chaux) (Scrimshaw et Jason 2002).

Au final, les boues peuvent subir, selon les cas, quatre types de traitement (Donner et al. 2010) :

 Les traitements biologiques : il s’agit des méthodes les plus communément appliquées actuellement. Elles utilisent l’action de microorganismes se développant en conditions aérobie ou anaérobie afin de traiter les boues et réduire la quantité de matière fermentescibles (sources d’odeurs). Les applications les plus courantes sont la digestion et le compostage.

 Les traitements chimiques : il s’agit d’utiliser un catalyseur chimique comme une enzyme, l’ozone ou un surfactant, afin d’éliminer certains polluants cibles. Il peut aussi s’agir d’incorporer des produits chimiques pour stabiliser les boues, comme c’est le cas dans le chaulage, afin par la suite de les déshydrater et sécher.

 Les traitements thermiques intenses : il s’agit de techniques qui détruisent les composants organiques des boues et laissent seulement des cendres inorganiques comme déchet. Les procédés les plus utilisés sont la combustion, la pyrolyse, la gazéification et l’oxydation humide. La pasteurisation est un traitement thermique particulier puisqu’il permet simplement de désinfecter les boues avant digestion.

 Les traitements de déshydratation : il s’agit de traitements dont le but est de réduire le volume des boues pour en faciliter la gestion. Ils peuvent être soit mécaniques (centrifugation, filtration et épaississement mécanique) soit thermiques (séchage thermique).

Cependant, les traitements biologiques, qui constituent la base du traitement des boues, sont parfois précédés de prétraitements permettant d’augmenter leur biodégradabilité. En effet, une fraction des matières organiques n’est pas disponible pour les microorganismes épurateurs, ne représentant souvent que 30 ou 40% de la matière solide totale dans les boues (Barnabé et al. 2009), et ces traitements vont permettre d’augmenter la fraction biodisponible. Les principales méthodes développées pour cela sont le traitement aux ultrasons, l’hydrolyse alcaline, l’hydrolyse thermique et l’oxydation partielle par réaction Fenton ou ozonation. Ces traitements améliorent la biodisponibilité en permettant la rupture des cellules des microorganismes, de libérer des nutriments, de solubiliser une fraction des matières solides, d’augmenter la fraction soluble de la demande chimique en oxygène, de diminuer la viscosité ou d’améliorer la biodégradabilité d’ensemble des boues (Barnabé et al. 2009, Verma et al. 2007).

Par la suite, seuls les principaux procédés vont être considérés et présentés. Il s’agit de l’épaississement, la stabilisation, le séchage thermique et l’incinération.

a) Les procédés d’épaississement

Il s’agit le plus souvent de la première étape de traitement des boues de STEP qui consiste à réduire le volume de celles-ci en séparant les matières sèches et l’eau (Boeglin 2000). Classiquement, l’épaississement est réalisé de façon mécanique, soit par décantation soit par flottation.

Figure II-2 : Schéma d'une centrifugeuse (source SIAAP)

La centrifugation est une autre technologie mécanique de réduction de la teneur en eau des boues. Il s’agit d’entraîner les boues, auxquelles on ajoute du polymère, par rotation d’une vis, ce qui va séparer les phases en fonction de leur densité par l’intermédiaire de la force centrifuge. La séparation est effectuée dans un rotor cylindro-conique horizontal contenant une vis convoyeuse qui tourne dans le même sens que le rotor mais à une vitesse légèrement supérieure (Figure II-2). Sous l'action de la force centrifuge, les solides se déposent en couche sur les parois (bol). La différence de vitesse de la vis convoyeuse fait progresser la boue vers la sortie de la machine, alors que le liquide extrait se collecte au centre de la centrifugeuse pour être évacué (centrat).

II.2.2.1.b.1 La digestion anaérobie

Figure II-3 : Schéma général d'un digesteur de boues (source SIAAP)

La digestion anaérobie (Figure II-3) est un procédé biologique dans lequel la matière organique contenue dans les boues subie plusieurs réactions de biodégradation par l’intermédiaire de microorganismes anaérobies (hydrolyse et acidogénèse, acétogénèse et methanogénèse - Figure II-5). Ce procédé permet d’obtenir du biogaz (CH4 + CO2), pouvant être valorisé par la suite par combustion. Elle permet de stabiliser les boues, c’est à dire de réduire fortement leur pouvoir fermentescible et leur teneur en pathogènes. En général, la matière organique est abattue à hauteur de 45-50% (Boeglin 2000). Cette technique est de loin la plus efficace pour stabiliser les boues, surtout pour les STEP de plus de 20 000 EH (Carballa et al. 2007b). De ce fait, elle est la technique la plus étudiée en ce qui concerne les micropolluants.

La digestion anaérobie est réalisée en conditions méthanogènes par une communauté complexe de microorganismes. Il s’agit du même type de réaction que ce qui peut être observé lors de la digestion humaine ou dans tout type d’écosystème où la matière organique est en conditions anaérobies. De plus, la digestion peut être soit mésophile (T = 33 - 35°C) soit thermophile (T > 50°C), ce qui implique le développement d’une biomasse différente en fonction de la température de fonctionnement. Cependant, les performances d’élimination des matières organiques sont généralement comparables et l’impact se fait principalement sur la cinétique et donc le temps de rétention des boues (Moletta 2008).

Son application en conditions mésophiles est majoritaire pour des raisons énergétiques, mais l’application thermophile s’est également développée, notamment aux Etats-Unis, en Suisse et en Allemagne, du fait de la forte demande en boues à traiter et car elle permet une très bonne stabilisation des BRU, malgré son coût (Guibelin 1999). En France, la très grande majorité des unités de digestion fonctionnent en conditions mésophiles, et seulement une installation de très grande capacité (STEP de 1 750 000 EH) a été recensée dans cette configuration (source Association Technique Energie Environnement 2011). Elle permet d’accélérer les réactions biochimiques, d’améliorer la désinfection et l’efficacité de dégradation de la matière organique, en comparaison de la digestion mésophile (Zabranska et al. 2000). Cependant, la configuration thermophile peut être plus sensible aux conditions opératoires comme la température, la charge en matière organique et les caractéristiques des boues d’entrée (Kim et al. 2002).

II.2.2.1.b.2 La digestion aérobie et le compostage

La digestion aérobie est assez similaire à un procédé boues activées à aération prolongée (Donner et al. 2010). Elle consiste à mettre en contact les boues avec des microorganismes épurateurs aérobies placés en respiration endogène, c’est à dire dans des conditions où ils n’ont pas de substrats pour se développer et utilisent leur auto-oxydation comme source d’énergie (Boeglin 2000). Dans ces conditions, ils dégradent les matières organiques libres ou stockées dans la masse bactérienne. Comme tout procédé biologique, la digestion aérobie est fortement influencée par la température de fonctionnement. Le taux de réduction des matières organiques varie entre 15 et 25% (valeur maximale) selon la configuration (Boeglin 2000).

Le compostage est une autre technique biologique qui se développe fortement actuellement, pouvant être appliquée soit sur des boues déshydratées, soit sur des boues mélangées à une autre source de matière organique (ordures ménagères, déchets agricoles, déchets forestiers, lisiers, etc.). Il s’agit d’une décomposition aérobie thermophile des matières organiques réalisée par un consortium de microorganismes très divers. Elle engendre une élévation de température de 45 à 70°C ce qui permet la destruction des pathogènes présents dans les boues. Selon l’origine de la matière à composter et l’intensité du traitement, le compostage dure entre 3 jours et 3 semaines. Deux technologies principales sont utilisées :

 Le compostage lent en tas sur aires, avec retournement régulier des tas,

 Le compostage accéléré en enceinte close (tunnel), avec contrôle des paramètres opératoires (températures, humidité et composition de l’atmosphère ambiante).

En ce qui concerne l’évaluation de l’efficacité de cette technique pour éliminer les polluants, cette dernière est assez complexe car elle pose des problèmes en termes de représentativité des prélèvements. Par ailleurs, le fait que la plupart du temps les boues soient mélangées à des refus de criblage (déchets ménagers ou végétaux), le phénomène de dilution ou contamination par ces compléments doit être pris en compte et complexifie l’analyse.

II.2.2.1.b.3 La stabilisation chimique

Il s’agit d’ajouter massivement aux boues un réactif chimique, en l’occurrence de la chaux, afin d’élever le pH (> 12 généralement) pour bloquer la fermentation et éviter le dégagement de mauvaises odeurs (Guibelin 1999). Généralement, il s’agit de chaux éteinte (lait de chaux) qui est ajoutée soit en amont d’un épaississeur, soit sur les boues liquides épaissies avant valorisation agricole. Cependant, cette stabilisation n’est que temporaire, c’est pourquoi les techniques de stabilisation biologique (digestion anaérobie ou compostage) sont le plus souvent préférées (Boeglin 2000). Les boues chaulées sont appréciées des agriculteurs car elles représentent un apport calcique bon marché pour leurs sols.

c) Les procédés thermiques de déshydratation et d’élimination II.2.2.1.c.1 Le séchage thermique

Le séchage thermique est un procédé permettant d’évaporer l’eau contenue dans les boues résiduaires. Il existe deux applications (Guibelin 1999) :

 Séchage partiel afin d’augmenter la siccité de la boue avant incinération,

 Séchage intense, permettant d’éliminer une très grande quantité d’eau (siccité > 90%) dans les boues.

Les boues sont simplement mises en contact avec une source de chaleur importante (T > 100°C) pendant quelques minutes. L’échange thermique se fait généralement par conduction (contact entre les boues et la paroi chauffée par un liquide caloporteur) et peut être renforcé par convection en injectant un flux de gaz chaud à co-courant du flux de boues. Il est intéressant de noter que près de 50% des 450 installations de séchage thermique européennes se trouvent en Allemagne à l’heure

actuelle alors que les autres pays possèdent chacun moins de 10% des installations (Kelessidis et Stasinakis 2012).

Le séchage thermique peut également être réalisé au sein de sécheurs solaires, qui utilisent les rayonnements du soleil pour évaporer l’eau, ou de lits de séchage plantés de roseaux reposant sur le pouvoir drainant et filtrant d’un lit où se développent des roseaux.

II.2.2.1.c.2 L’incinération

Figure II-4 : Schéma général d’un incinérateur de boues (source SIAAP)

Lorsqu’une utilisation agricole n’est pas envisageable (contamination, boues non conformes à la réglementation, etc.), deux voies d’élimination sont possibles pour les boues résiduaires : la mise en décharge des boues en l’état ou l’incinération suivie de la mise en décharge des cendres. L’incinération (Figure II-4) ou oxydation thermique des boues est une technique permettant une valorisation énergétique et une réduction très importante des volumes à mettre en décharge.

La plupart des incinérateurs actuels sont de type lit fluidisé car il permet un bilan énergétique et une durée de vie plus intéressante que les anciennes techniques, est plus compact et facile à automatiser.

2.2.2 Processus d’abattement des micropolluants lors du traitement des boues

La très grande diversité des procédés utilisés pour traiter les boues implique différents processus d’abattement. Ainsi, un procédé de réduction du volume n’agira à priori que sur la teneur en eau et n’éliminera pas les micropolluants présents dans les boues, sauf si un transfert à la phase aqueuse s’opère. Au contraire, des procédés d’élimination de la matière sèche tels que la digestion ou l’incinération, ou les traitements chimiques induisent un abattement des polluants organiques au sein des boues. Le paragraphe suivant se scinde en deux parties : la première est dédiée aux processus d’élimination des micropolluants au sein des traitements biologiques des boues et la seconde aborde les processus au sein des autres traitements des boues.

a) Processus au sein des traitements biologiques

La digestion anaérobie a pour principal objectif de métaboliser une partie de la matière organique contenue dans les boues, notamment la matière organique volatile. Cet objectif est rempli par l’action des microorganismes qui permettent la fermentation méthanique des boues en absence d’air. La métabolisation de la matière organique se fait en deux étapes (Boeglin 2000) :

 Une phase de liquéfaction, pendant laquelle les molécules organiques sont dégradées en molécules plus simples par des réactions enzymatiques extra et intracellulaires,

 Une phase de gazéification, où les molécules volatiles sont consommées par les bactéries méthaniques pour donner du biogaz, par réactions enzymatiques intracellulaires.

Le mécanisme général de dégradation de la matière organique est donné plus en détails sur la

Figure II-5 (Gay 2002).

Figure II-5 : Mécanisme général de la digestion anaérobie (Gay 2002)

Le réacteur étant fermé et la température modérée (T = 35-55°C), les processus de transformation abiotiques tels que l’hydrolyse ou la photolyse sont peu probables. Etant donné la production de méthane au sein de ce procédé, des pertes par volatilisation peuvent être observées même si elles restent faibles par rapport à la biodégradation, notamment pour les HAPs (Barret et al. 2010b, Trably et al. 2003).

Lorsqu’ils sont biodégradés, les micropolluants ne sont en général pas utilisés comme source directe de carbone et subissent plutôt une cométabolisation (Barret et al. 2010b, Patureau et Trably 2006). La cométabolisation pourrait être qualifiée de dégradation indirecte et incomplète puisqu’au cours de ce processus, les micropolluants ne sont pas la cible, ils sont dégradés lors la conversion de co-substrats qui sont la source de carbone des bactéries (Siegrist et al. 2003). La dégradation des micropolluants est permise par l’aptitude des enzymes à dégrader différents substrats, comme les bactéries méthanotrophes connues pour oxyder les HAPs, alcanes et les composés aromatiques (Pomiès et al. 2013).

Les paramètres opératoires comme le temps de séjour des boues et la température ont été identifiés comme impactant la biodégradation de certains micropolluants comme le DEHP et les alkylphénols durant la digestion anaérobie (Stasinakis 2012). Selon l’auteur et assez logiquement, la biodégradation de ces molécules évolue favorablement lorsque la température et le temps de séjour augmentent. Au contraire, une telle influence n’a pas été observée sur certains résidus pharmaceutiques, produits de soins personnels et hormones (Carballa et al. 2006, Carballa et al. 2007b). Cependant, le diclofénac, le diazépam et les hormones semblent mieux abattus par une biomasse acclimatée, où l’abondance de microorganismes dégradant les micropolluants est plus grande (Carballa et al. 2006, Carballa et al. 2007b). (Chang et al. 2005a) ont montré que la présence d’une source de carbone biodégradable améliore la dégradation du 4-NP grâce à la stimulation de la cométabolisation. Il semblerait que le même phénomène intervienne pour d’autres micropolluants comme les HAPs (Barret et al. 2010b).

Enfin, les propriétés physico-chimiques des micropolluants ainsi que les caractéristiques des boues jouent un rôle important dans leur biodégradation puisqu’elles affectent la biodisponibilité et l’accessibilité du carbone biodégradable par les microorganismes (Paterakis et al. 2012, Stasinakis 2012). Elle dépend des propriétés des molécules, de la matière sèche des boues mais aussi des paramètres opératoires comme la température, le pH, la force ionique ou la présence d’agents complexants (Stasinakis 2012). Ainsi, même si les boues digérées contiennent moins de matière organique, de carbohydrates et de lipides, du fait de leur utilisation comme substrat de développement des microorganismes pendant la digestion (Barret et al. 2010c), les polluants hydrophobes semblent plus fortement liés à celles-ci qu’aux boues primaires et biologiques (Barret et al. 2010c). Une explication pourrait être la consommation préférentielle d’une fraction de la matière organique pour laquelle les micropolluants ont le moins d’affinité au cours de la digestion, laissant la matière organique avec laquelle ils sont le plus fortement liés. Au contraire, les polluants plus hydrophiles comme les PPCPs et hormones ne semblent pas affectés par la digestion en termes de sorption, leur KD ne change pas (Carballa et al. 2008).

Chaque famille de molécules a des mécanismes d’élimination différents. Les connaissances sur les mécanismes identifiés ou suspectés responsables de l’élimination des micropolluants en digestion anaérobie sont résumées par famille ci-dessous.

 Les HAPs

La faisabilité thermodynamique de la biodégradation des HAPs en conditions de méthanogénèse a déjà été démontrée (Christensen et al. 2004), même si les conditions sulfato- réductrices semblent plus favorables. La biodégradation est le processus d’abattement majoritaire pour les HAPs même si des pertes par volatilisation sont possibles notamment avec les HAPs les plus volatils. Si (Trably et al. 2003) ont obtenu des pertes allant jusqu’à 25% pour les HAPs légers, d’autres études ont obtenu des pertes beaucoup plus faibles, même pour les plus légers (< 10% - (Chang et al. 2003, Christensen et al. 2004) ; < 1% - (Barret et al. 2010b)). Cette biodégradation semblerait due à la cométabolisation lors de la dégradation de la matière sèche et semble également limitée par la biodisponibilité des HAPs (Trably et al. 2003). A l’heure actuelle, les microorganismes et les cinétiques impliqués dans la biodégradation des HAPs au cours de la digestion anaérobie ne sont pas clairement déterminés et définis (Barret et al. 2010b), mais il semblerait que leur abattement soit directement lié à celui des matières solides totales (Trably et al. 2003).

 Les phtalates

La dégradation des phtalates est liée à la taille de la chaîne alkyl (Shelton et al. 1984). Ainsi, DEP ou DBP sont plus facilement dégradés dans des conditions anaérobies que DEHP ou DOP. Leur biodégradation commence par une hydrolyse des deux chaînes ester latérales donnant l’acide phtalique et des alkyl alcools qui sont ensuite convertis en méthane et dioxyde de carbone. La dégradation du DEP, DBP et DEHP peut être décrite par une cinétique d’ordre 1 (Gavala et al. 2003). (O'Connor et al. 1989) ont constaté une légère minéralisation du DEHP qui se transforme en méthane. Ils ont également déterminé des concentrations à partir desquelles le DEHP (100 mg/L) et DEP (20 mg/L) sont toxiques pour les microorganismes réalisant la méthanogénèse.

 Les alkylphénols

La biodégradation des alkylphénols se fait par réduction de la chaîne éthoxylée jusqu’à la formation du NP1EO, NP2EO et 4-NP (Lu et al. 2008). NP1EO et NP2EO sont dégradés en 4-NP (Hernandez-Raquet et al. 2007). Le 4-NP se dégrade selon une cinétique de premier ordre et (Chang

et al. 2005a) ont identifié différents microorganismes pouvant le métaboliser. La dégradation du 4- NP est plus lente que sa formation par la déalkylation des précurseurs éthoxylés et carboxylés.

 Les PCBs

L’abattement se fait selon un processus de déchlorination progressif, comme il a été mis en évidence dans la littérature (El-Hadj et al. 2007a). (Patureau et Trably 2006) ont également obtenu des pertes par processus abiotiques en parallèle de pertes par biodégradation.

 Les PBDEs

La débromination anaérobie par les microorganismes a été rapportée par différentes études à l’échelle laboratoire (Gerecke et al. 2005, He et al. 2006, Robrock et al. 2008). Il semblerait qu’une concentration seuil existe, en dessous de laquelle le processus de débromination ne peut pas avoir lieu (Cho et al. 2003, Shin et al. 2010). Cependant, la présence de ce mécanisme dans les digesteurs anaérobie des STEP n’a pas été prouvée mais simplement supposée pour expliquer l’abattement de ces composés (Shin et al. 2010).

 Les PPCPs

La cométabolisation du triclosan en condition anaérobie est théoriquement possible. Ses principaux produits de dégradation sont le phénol, catéchol et 2,4-dichlorophénol (Gangadharan Puthiya Veetil et al. 2012).

La formation de 6-O-désméthylnaproxène a été observée pendant la biodégradation du naproxène en conditions anaérobies (Lahti et Oikari 2011).

 Les hormones

Pendant la digestion, la réduction d’E1 en E2 a été observée dans tous les types de boues (Carballa et al. 2006, Carballa et al. 2007b, Paterakis et al. 2012). L’oxydation de E2 en E1 est également possible en conditions anaérobies, comme il a été observé dans des sédiments (Czajka et Londry 2006). Au final, le mécanisme en jeu semble dépendre des concentrations initiales : quand la concentration de E2 est plus élevée, on observe son oxydation en E1 et inversement (Paterakis et al. 2012).

 Les LAS

(Sanz et al. 2003) ont constaté des abattements totaux de 70 à 95% selon la molécule par biodégradation. Une plus grande biodégradation des LAS a été obtenue en absence de co-substrat ce qui indique que ces composés peuvent être utilisés comme source de carbone par les microorganismes épuratoires.

 Les organoétains

La biodégradation du TBT pendant la digestion anaérobie a été observée mais reste limitée