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Analyse du Cycle de Vie des filières de traitement des
boues issues du traitement des eaux usées
L. Chabat
To cite this version:
L. Chabat. Analyse du Cycle de Vie des filières de traitement des boues issues du traitement des eaux usées. Sciences de l’environnement. 2013. �hal-02599211�
MÉMOIRE DE FIN D’ÉTUDES
présenté pour l’obtention du DIPLOME D’INGENIEUR AGRONOME
Spécialité : Gestion de l’Eau, des Milieux cultivés et de l’Environnement
Analyse du Cycle de Vie des filières de traitement des
boues issues du traitement des eaux usées
par
Léa CHABAT
Année de soutenance : 2013
Organisme d’accueil :
Institut national de Recherche en Sciences et Technologies
pour l’Environnement et l’Agriculture, Centre de Clermont-Ferrand, Site de
recherche et d’expérimentation de Montoldre
MÉMOIRE DE FIN D’ÉTUDES
présenté pour l’obtention du DIPLOME D’INGENIEUR AGRONOME
Spécialité : Gestion de l’Eau, des Milieux cultivés et de l’Environnement
Analyse du Cycle de Vie des filières de traitement des
boues issues du traitement des eaux usées
par
Léa CHABAT
Mémoire préparé sous la direction de : Arnaud HELIAS, INRA Montpellier
Organisme d’accueil : IRSTEA, Centre de Clermont-Ferrand, Site de recherche et d’expérimentation de Montoldre
Présenté le : 11/10/2013 Maîtres de Stage :
devant le Jury :
- Carole SINFORT, Montpellier SupAgro, Présidente du Jury
- Edith LECADRE, Montpellier SupAgro - Mélissa CORNELUS, IRSTEA / INRA
Montpellier Equipe Elsa
- Marilys PRADEL
REMERCIEMENTS
Je tiens tout d’abord à remercier Emmanuel Hugo, directeur régional du centre de Clermont-Ferrand et Romain Girault, délégué du directeur régional sur le site de Montoldre, de m’avoir intégré pendant ces 6 mois au sein de leur structure et de leur équipe.
Je remercie vivement Marilys Pradel, Ingénieur d’étude Evaluation Environnementale/ACV et maître de stage, pour son encadrement et son soutien. Je la remercie pour ses conseils et ses remarques qui ont contribué au bon déroulement de mon stage.
Je remercie aussi Anne-Laure Reverdy, Ingénieur d’étude Evaluation Environnementale, pour sa disponibilité et ses conseils.
Je remercie Arnaud Hélias, mon tuteur campus, qui a répondu à mes interrogations et m’a conseillé tout au long du stage.
Mes remerciements vont également à toute l’équipe Irstea du site de Montoldre (permanents, CDD, thésards et stagiaires), pour leur accueil, leur bonne humeur et la bonne ambiance qui régnait au travail.
Enfin, je souhaite remercier toutes les autres personnes qui ont participé de près ou de loin à la réalisation de cette étude.
TABLE DES MATIERES
REMERCIEMENTS ... 1
TABLE DES MATIERES ... 2
LISTE DES ABREVIATIONS... 3
INTRODUCTION ... 4
1 SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE ... 6
1.1 LA METHODE ACV ... 6
1.1.1 Principe général de l’ACV ... 6
1.1.2 Etat de l’art des ACV appliquées au traitement des boues d’épurations ... 7
1.2 LE TRAITEMENT DES EAUX USEES ET LA PRODUCTION DE BOUES EN FRANCE ... 9
1.2.1 Le traitement des eaux usées à l’origine de la production de boues ... 9
1.2.2 Les différentes catégories de boues ... 10
1.2.3 La composition des boues ... 12
1.3 LE TRAITEMENT DES BOUES ... 14
1.3.1 Le conditionnement ... 14
1.3.2 Les procédés d’épaississement ... 15
1.3.3 Les procédés de déshydratation ... 15
1.3.4 Les procédés de stabilisation ... 16
1.3.5 Les procédés de séchage ... 17
2 CHAMPS DE L’ETUDE ET INVENTAIRE DU CYCLE DE VIE ... 19
2.1 OBJECTIFS ... 19
2.1.1 Objectifs de l’étude ... 19
2.1.2 Choix de l’unité fonctionnelle ... 19
2.2 FRONTIERES DU SYSTEME ... 19
2.3 INVENTAIRES DU CYCLE DE VIE ... 21
2.3.1 Méthodologie utilisée ... 21
2.3.2 Constitution des inventaires de cycle de vie ... 24
2.3.3 Bilans matières-énergies ... 31
3 EVALUATION DE L’IMPACT ENVIRONNEMENTAL ... 35
3.1 METHODOLOGIE ... 35
3.1.1 Méthode de calcul d’impact ... 35
3.1.2 Procédés et filières analysés ... 36
3.2 ANALYSE ET INTERPRETATIONS DES RESULTATS ... 38
3.2.1 Caractérisation des impacts et identification des procédés les moins impactants .... 38
3.2.2 Identification des filières les moins impactantes ... 46
3.3 ANALYSE CRITIQUE ... 49
CONCLUSION ... 51
BIBLIOGRAPHIE ... 52
TABLE DES FIGURES ... 57
TABLE DES TABLEAUX ... 58
LISTE DES ABREVIATIONS
ACV : Analyse du Cycle de Vie
ADEME : Agence de l’Environnement et la Maitrise de l’Energie CH4 : Méthane
CO2 : Dioxyde de Carbone
COV : Composé Organique Volatil
DBO5 : Demande Biochimique en Oxygène pendant cinq jours DEHP : Di (2-ethylexyl) Phtalate
DERU : Directive Eaux Résiduaires Urbaines DCE : Directive Cadre sur l’Eau
EH : Equivalent Habitant
ETM : Elément Trace Métallique GES : Gaz à Effet de Serre GE
STABOUES : Evaluation des GES pour les filières de Traitement et de vAlorisation des BOUES HAP : Hydrocarbure Aromatique Polycyclique
ICV : Inventaire du Cycle de Vie
Irstea : Institut national de Recherche en Sciences et Technologies pour l’Environnement et l’Agriculture
LSPR : Lits de séchage plantés de roseaux MB : Matière Brute
MES : Matière En Suspension MO : Matière Organique MS : Matière Sèche MV : Matière Volatile N2O : Protoxyde d’azote NTK : Azote Total Kjeldahl
Onema : Office Nationale de l’Eau et des Milieux Aquatiques PBDE : Polybromodiphényléther
PCB : Polychlorobiphényle
INTRODUCTION
Toutes les activités humaines, domestiques et industrielles, sont responsables de la production d’eaux usées en France. Ces eaux usées sont traitées dans des stations d’épurations puis rejetées dans le milieu extérieur. Ces rejets dans les cours d’eau entraînent une pollution accrue des milieux aquatiques. Afin de restaurer une bonne qualité de ces milieux aquatiques, l’Europe a mis en place plusieurs directives : la Directive Eaux Résiduaires Urbaines (DERU) (1991) et la Directive Cadre sur l’Eau (DCE) (2000). La DERU concerne la collecte, le traitement et le rejet des eaux résiduaires urbaines. Elle définit des critères à respecter au niveau des systèmes de collecte et de traitement des eaux usées. La DCE, quant à elle, concerne le domaine de l’eau en général et définit un cadre pour la gestion et la protection des eaux de surface et souterraines. L’objectif général est l’atteinte du « bon état » des masses d’eaux d’ici 2015. Ces deux directives ont eu pour conséquence l’installation de nouvelles stations d’épurations, l’amélioration des stations existantes et de la qualité des eaux traitées.
Cependant, les eaux traitées ne sont pas les seuls produits d’une station d’épuration. Le traitement des eaux usées est à l’origine de la production de boues d’épurations qui sont rarement prises en compte dans l’analyse environnementale des stations de traitement des eaux usées (STEU). Le traitement et le devenir des boues doivent être intégrés dans l’évaluation de l’impact environnemental des stations d’épurations pour pouvoir mieux connaître leur rôle sur ce dernier et au final sur la qualité environnementale des STEU.
Sur la période 2010-2012, une première étude, en partenariat avec le Ministère de l’Ecologie, de l’Energie, du Développement Durable et de la Mer puis avec l’Office national de l’eau et des milieux aquatiques (Onema), a été réalisée par l’Institut national de recherche en sciences et technologies pour l’environnement et l’agriculture (Irstea). Ce projet a permis de réaliser un état des lieux des principales filières de traitement et de valorisation des boues issues du traitement des eaux usées en France, d’évaluer leurs consommations de matières et d’énergies et de réaliser le bilan carbone de ces filières. Pour cela, un outil de quantification des émissions de gaz à effet de serre (GES) des filières de traitement et de valorisation des boues a été mis en place. Cet outil, nommé GESTABOUES, est basé sur la méthode du Bilan Carbone® et permet ainsi aux exploitants de STEU de se représenter les émissions de GES liées aux différents procédés qu’ils utilisent. Cependant, les émissions de GES nous renseignent uniquement sur l’impact des filières de traitement et de valorisation des boues sur le réchauffement climatique et ne prennent pas en compte les impacts sur la santé humaine ou la qualité des écosystèmes par exemple. Un besoin de la quantification de l’impact environnemental global des stations de traitement des eaux usées se fait sentir.
C’est dans ce contexte de démarche de qualité environnementale que s’inscrit l’action 48 de la programmation 2013-2016 de la convention entre l’Onema et Irstea. Cette action a pour but de quantifier les impacts des filières de traitement et de valorisation des boues issues du traitement des eaux usées sur la qualité environnementale des STEU.
Intégrée au sein du centre Irstea de Clermont-Ferrand (Site de recherche et d’expérimentation de Montoldre), mon travail a consisté en la réalisation de la première partie de ce projet, à savoir la constitution d'un inventaire du cycle de vie des filières de traitement des boues issues du traitement des eaux usées. Ce travail a été réalisé au sein de l’unité de recherche Technologies et systèmes d’informations pour les agrosystèmes (TSCF), dans l’équipe Matériaux et milieux (Carac’Terre) avec la responsable Irstea de l’action 48, Marilys Pradel. En parallèle, une autre stagiaire travaille sur les filières de valorisation des boues issues du traitement des eaux usées.
La gestion des boues issues du traitement des eaux usées est donc génératrice d’impact sur l’environnement, mais quels sont-ils ? Et concernant la gestion des boues issues du traitement des eaux usées, quelles sont les solutions envisageables (parmi les solutions existantes) pour le traitement des boues d’épurations en vue de l’amélioration de leurs performances environnementales ?
Afin de répondre à ces questions, la méthode de l’Analyse du Cycle de Vie (ACV) sera utilisée et servira à analyser et comparer les différentes filières de traitement des boues issues du traitement des eaux usées.
La première partie de ce rapport sera dédiée à une synthèse bibliographique concernant la méthode ACV et le traitement des boues issues du traitement des eaux usées. Dans un deuxième temps, je détaillerais le champ de l’étude et les étapes de la constitution de l’inventaire du cycle de vie. Pour finir, j’exposerais les résultats de l’évaluation de l’impact environnemental ainsi qu’une analyse critique du travail réalisé avant de conclure.
1
SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE
1.1 La méthode ACV
1.1.1 Principe général de l’ACV
L’Analyse du Cycle de Vie (ACV) est un outil d’évaluation des impacts sur l’environnement d’un produit, d’un service ou d’un système ; incluant l’ensemble des activités liées à ce système depuis l’extraction des matières premières jusqu’au dépôt et traitement des déchets. La quantification des impacts se fait donc sur l’ensemble du cycle de vie du système en considérant chaque étape, « du berceau à la tombe ». Pour chaque étape du cycle de vie, les flux de matières et énergies entrants et sortants sont inventoriés.
L’ACV est une méthode d’évaluation environnementale multicritère dont le cadre est normalisé (ISO 14 040 et 14 044). La norme ISO 14040 « Management environnemental – Analyse du cycle de vie – Principes et cadres » décrit les caractéristiques essentielles de l’ACV et les bonnes pratiques de conduite de cette étude. Cette norme est la première et date de 1997. Les normes ISO 14041, ISO 14042 et 14043 ont été publiés par la suite (2000) et décrivent plus précisément chaque étape de l’ACV. Ces trois dernières ont fusionnés en 2006 à la suite d’une révision pour former la norme ISO 14044 « Management environnemental – Analyse du cycle de vie – Exigences et lignes directrices ».
L’objectif de l’ACV est d’identifier les principales sources d’impacts environnementaux d’un système. Cette méthode permet de comparer les étapes de la vie d’un produit entre elles et de pointer du doigt les postes les plus impactants. Elle permet aussi de comparer des systèmes entre eux et de choisir celui qui engendre le moins d’impacts sur l’environnement. C’est un outil fournissant des éléments d’aide à la décision aux politiques industrielles ou publiques (améliorations de produits, choix des procédés …).
L’Analyse du Cycle de Vie se décompose en quatre phases de travail (Figure 1) :
Figure 1 : Etapes de l'ACV (ADEME, 2005)
Etape 1 : La définition des objectifs et du système permet de poser le problème et le champ de l’étude. Cette phase détermine l’unité fonctionnelle à laquelle les flux entrants et sortants seront rapportés. Elle définit également les frontières du système étudié.
Etape 2 : La deuxième étape constitue l’inventaire du cycle de vie. Pour chaque étape, les consommations et les émissions sont recensées et quantifiées. Elles sont exprimées en fonction de l’unité fonctionnelle. L’inventaire des flux matières et énergies entrants et
sortants quantifie ainsi les émissions polluantes vers trois compartiments : l’eau, l’air et le sol. Cet inventaire est réalisé pour chaque processus élémentaire du système considéré (Figure 2).
Figure 2 : Inventaire du cycle de vie
Etape 3 : Lors de la troisième étape, l’impact environnemental de chaque émission et extraction répertoriées est évalué. Cette analyse comprend une phase de classification qui détermine quelles émissions contribuent à quelles catégories d’impacts environnementaux (effet de serre, toxicité humaine …) suivie d’une phase de caractérisation intermédiaire qui pondère les émissions à l’intérieur de chacune des catégories d’impact. Enfin la phase de caractérisation des dommages regroupe les catégories d’impact en trois aires de protection (santé humaine, diversité des écosystèmes, disponibilité des ressources) (Jolliet, 2005). Cette étape est réalisée à l’aide d’un logiciel qui va modéliser l’inventaire de cycle de vie réalisé et calculer les impacts environnementaux à partir de cet inventaire. Il existe différents logiciels ACV. Les plus utilisés et les plus complets sont les logiciels SimaPro et GaBi. Nous utiliserons ici le logiciel SimaPro 7.3.3. Les logiciels ACV intègrent plusieurs méthodes d’évaluation des impacts et différentes bases de données. Ces bases de données comprennent des inventaires de cycle de vie pour des processus élémentaires universels tel que l’énergie (électricité, pétrole, charbon …), les matériaux (chimiques, métaux, biomasse …), les transports (routières, ferroviaires, aériens, maritimes) et autres. La base de données la plus utilisée, et celle que nous utiliserons, est la base de données EcoInvent V2.2. incluse dans SimaPro.
Etape 4 : La phase d’interprétation permet d’interpréter les résultats obtenus en fonction des objectifs de l’étude et d’évaluer les incertitudes et variabilités des résultats (analyse de sensibilité, comparaison des processus entre eux, validité des hypothèses retenues pour l’étude …).
1.1.2 Etat de l’art des ACV appliquées au traitement des boues d’épurations
L’état de l’art des ACV appliquées aux filières de traitement et de valorisation des boues nécessite une étude bibliographique des articles scientifiques publiés sur le sujet. Une telle étude a déjà été réalisée sur les publications scientifiques publiés entre 1999 et 2007 et comparant différents scénarios (Pradel, 2008) ; soit 9 articles scientifiques. Cet état de l’art portait sur la méthode et les logiciels ACV utilisés, les frontières du système étudié et les unités fonctionnelles correspondantes, les résultats et les principales conclusions. A cette étude s’ajoute ici deux ACV comparatives supplémentaires : (Cao and Pawlowski, 2013) et (Tarantini et al., 2007).
Frontières du système et unités fonctionnelles
Les ACV liées au traitement des déchets sont des ACV particulières dites ACV « fin de vie ». En effet, seule la dernière étape du cycle de vie est prise en compte ici. Ces ACV sont souvent utilisées pour comparer différentes filières entre elles. Elles nous renseignent sur les impacts environnementaux dus à la gestion d’une certaine quantité de déchet.
La plupart des études utilise la gestion d’une tonne de matière sèche de boue comme unité fonctionnelle. Les frontières des systèmes étudiés incluent le traitement et la valorisation des boues depuis la production de boues liquides épaissies jusqu’à la voie d’élimination finale (épandage, incinération, co-incinération ou enfouissement en centre technique). Les infrastructures sont rarement prises en compte dans ces ACV. Les impacts dus à la construction et au démantèlement de ces dernières sont relativement plus faible que ceux dus à la phase de traitement des boues (Suh and Rousseaux, 2002).
Principaux résultats d’ACV dans la littérature
La comparaison d’études environnementales basées sur la méthodologie ACV est souvent délicate du fait des différences entre les études réalisées. Ces différences se retrouvent tant au niveau de l’unité fonctionnelle, que des frontières du système étudié et de la méthode d’évaluation des impacts choisie. Le Tableau 1 illustre ces différences en présentant les données utilisées pour les deux ACV comparatives étudiées : (Cao and Pawlowski, 2013) et (Tarantini et al., 2007).
Tableau 1 : Synthèse des données utilisées dans les deux ACV comparatives
Auteurs Tarantini et al. Cao and Pawlowski
Titre
An environmental LCA of alternative scenarios of urban sewage sludge
treatment and disposal
LCA of two emerging sewage sludge-to-energy systems: Evaluating sludge-to-energy and greenhouse gas emissions implications Date de
publication 2007 2013
Systèmes étudiés
- Système A : boues mixtes :
épaississement / digestion anaérobie (biogaz : production d’électricité) / épaississement / déshydratation / incinération
- Système B : boues mixtes : épaississement/ déshydratation / incinération
- Système C : boues mixtes :
épaississement / digestion anaérobie / déshydratation / compostage
- Système CP : digestion anaérobie (biogaz : production d’électricité et de chaleur) / déshydratation / séchage / pyrolyse (valorisation du gaz et du biochar produit)
- Système SP : déshydratation / séchage / pyrolyse (valorisation du gaz et du biochar produit)
Unité fonctionnelle
Elimination de 20 tonnes de boues d’épuration (à 5% de matière sèche et 70% de matière volatile)
Traitement de 500 m3 de boue brute liquide (à 5% de matière sèche et 72% de matière volatile) par jour
Logiciel utilisé TEAMTM Non précisé
Impacts étudiés et méthode utilisée correspondante - Acidification de l’air : CML 1992 - Eutrophisation : CML 1992
- Effet de serre : IPPC 1997, 100 ans - Ecotoxicité (aquatique, humaine, terrestre, sédiments) : USES 2.0 1998 - Pollution photo-oxydante : WMO - Appauvrissement des ressources non renouvelables : CML 1992
- Consommation d’énergie - Emission de gaz à effet de serre
Provenance des données d’inventaires
- Données expérimentales provenant de la STEU de Bologne (Italie)
- Projet AQUASAVE
- Base de données TEAM 3.0 - Littérature scientifique
- Base de données EcoInvent V2.1 - Littérature scientifique
Les résultats montrent que d’une manière générale, le séchage des boues est le procédé le plus défavorable pour le réchauffement climatique et le plus consommateur d’énergie lors du traitement des boues (Cao and Pawlowski, 2013). A l’opposé, c’est la déshydratation qui est le procédé le moins consommateur d’énergie (Figure 3). La digestion anaérobie permet la production de biogaz et réduit les émissions de GES (Tarantini et al., 2007). Elle entraine de plus une forte diminution du volume de boue en aval et limite ainsi la consommation d’énergie sur les procédés suivants. Concernant les procédés de valorisation des boues de STEU, l’enfouissement en centre technique est le procédé le plus défavorable pour l’effet de serre (Pradel, 2008). L’incinération sur lit fluidisé et l’épandage agricole sont les scénarios les plus intéressants. L’incinération est toutefois moins impactante que l’épandage agricole pour les écosystèmes terrestres et aquatiques (dû à la présence d’éléments traces métalliques dans les boues épandues).
Figure 3 : Contribution de chaque procédé à l'énergie totale utilisée (A) et aux émissions de GES (B) pour chaque système étudié (Cao and Pawlowski, 2013)
La méthode ACV est donc une méthode permettant de quantifier les impacts sur l’environnement de nombreux systèmes. Appliquée aux filières de traitement des boues issues du traitement des eaux usées, elle identifie les procédés les plus impactants sur l’environnement et les catégories d’impact les plus touchées.
1.2 Le traitement des eaux usées et la production de boues en France
1.2.1 Le traitement des eaux usées à l’origine de la production de boues
Selon le Ministère de l’Ecologie, du Développement Durable et de l’Energie (MEDDE, 2013), la France comptait pour l’année 2012, 19 450 agglomérations d'assainissement comprenant 19 750 stations de traitement des eaux usées (STEU). L’ensemble de ces STEU représentait une charge globale de 76 millions d'Equivalents-Habitants (EH) et une capacité épuratoire de 99 millions d’EH.
L’Equivalent-Habitant est l’unité de mesure permettant d'évaluer la capacité d'une station d'épuration. Elle se base sur la quantité de pollution émise par personne et par jour. L’article 2 de la DERU du 21 mai 1991 définit l’EH comme la charge organique biodégradable ayant une demande biochimique en oxygène pendant cinq jours (DBO5) de 60 grammes d'oxygène par jour. Le traitement des eaux usées a pour objectif de dépolluer les eaux avant de les rejeter dans le milieu naturel. De nombreux procédés sont utilisés afin d’épurer les eaux résiduaires. La première phase du traitement des eaux usées est une phase de prétraitement consistant en un dégrillage, tamisage, dessablage et dégraissage. Le but est d’éliminer les éléments supérieurs à 200 µm de diamètre tel que les gros refus (bouteille, canette …), le sable, les sédiments ainsi que les matières flottantes tel que l’huile.
Le traitement des eaux usées est à l’origine de nombreux sous-produits qui vont nécessiter à leur tour un traitement. Seules les boues d’épuration sont prises en compte dans cette étude. Les boues issues du traitement des eaux usées sont un mélange d’eau et de particules solides (matières organiques non dégradées, matières minérales et micro-organismes) non éliminés par les étapes du traitement des eaux résiduaires. Nous nous intéressons ici aux boues d’eaux résiduaires urbaines. Il existe aussi des boues d’eaux résiduaires industrielles dont le traitement et le devenir sont sous la responsabilité de l’industriel ; et des boues d’eau potable qui contiennent généralement peu de matières dégradables et dont la quantité produite est relativement faible (OTV, 1997). Si on considère qu’un EH produit 20 kg de matière sèche par an (Miquel, 2003), la production de boue annuelle s’élève à 1,5 millions de tonne de matière sèche par an en moyenne. Le statut réglementaire des boues issues du traitement des eaux usées est défini par le décret 97-1133 du 8 décembre 1997 relatif à l’épandage. Selon ce décret, les boues constituent un déchet au sens de la loi du 15 juillet 1975 : « Est un déchet au sens de la présente loi tout résidu d'un processus de production, de transformation ou d'utilisation, toute substance, matériau, produit ou plus généralement tout bien meuble abandonné ou que son détenteur destine à l'abandon » (1975).
1.2.2 Les différentes catégories de boues
Les types de boues
La qualité des boues issues du traitement des eaux usées est très variable selon la nature et la qualité des effluents d’origine et le type de traitement appliqué. Il existe trois grands types de traitement des eaux usées qui génèrent différentes classes de boues (Figure 4).
Figure 4 : Schéma simplifié de la production de boues issues du traitement des eaux usées (Reverdy and Pradel, 2010)
On obtient ainsi trois grands types de boues :
Les boues primaires sont issues d’une élimination des matières en suspension (MES) des eaux brutes par décantation gravitaire (traitements primaires). Ces boues sont riches en matières minérales et matières organiques particulaires.
Les boues secondaires sont issues de procédés biologiques aérobies ou anaérobies, où des bactéries minéralisent la matière organique contenue dans les effluents (traitements tertiaires). Ces boues sont constituées essentiellement de cellules microbiennes. Elles sont très organiques (50 à 80 % de MO dans la matière sèche) et contiennent très peu de matière sèche (0,5 à 2 % dans la matière brute) (Uggetti et al., 2011). Dû à leur composition en cellules microbiennes, les boues secondaires sont peu biodégradables (Devlin et al., 2011). Les boues activées d’aération prolongée sont un type de boue secondaire, elles proviennent du traitement des eaux usées par bassin d’aération et clarificateur sans passage par un décanteur primaire. Ces boues sont peu concentrées et peu minéralisées (Troesch, 2009).
Les boues tertiaires sont issues de traitement physico-chimique des effluents (traitements tertiaires). Ces traitements permettent d’éliminer les MES, le phosphore, l’azote et autres composés spécifiques.
Les boues mixtes sont un mélange de boues primaires et de boues secondaires.
(OTV, 1997) propose un autre classement des boues issues du traitement des eaux usées (Tableau 2).
Tableau 2 : Classes de boues (OTV, 1997)
Boues de classe A Boues de classe B1
Boues de classe
B2 Boues de classe C Boues de classe D Boues primaires Boues primaires physico-chimiques Boues de forte à très forte charge Boues biologiques en eau brute : - Boues de faible charge - Boues d’aération prolongée Boues biologiques en eau décantée : - Boues de faible charge - Boues de moyenne charge Boues mixtes de type A + B2 Boues stabilisées biologiquement : - Boues de digestion anaérobie mésophile - Boue de stabilisation aérobie thermophile
Par la suite, nous retiendrons la classification suivante pour les boues brutes issues du traitement des eaux usées : les boues primaires (classe A), les boues secondaires (classe B2), les boues activées (classe B1) et les boues mixtes (classe C). Les boues tertiaires ne sont pas prises en compte car elles ne représentent qu’une très faible proportion des boues produites en France et sont peu représentées dans la littérature scientifique. Les boues de classe D, quant à elles, sont des boues traitées par stabilisation biologique ; elles ne sont pas considérées comme des boues brutes.
La nature des boues
On distingue plusieurs natures de boues selon leur concentration en matière sèche (MS). On définit la siccité comme la teneur en matière sèche (en %) contenue dans les boues. C’est l’inverse du taux d’humidité. On distingue (Reverdy and Pradel, 2010) :
Les boues liquides : 1 à 10 % de siccité, Les boues pâteuses : 10 à 30 % de siccité, Les boues solides : 30 à 90 % de siccité, Les boues sèches : plus de 90 % de siccité.
Le traitement des boues va par la suite modifier la nature des boues en changeant leur siccité.
1.2.3 La composition des boues
Les boues sont composées de toutes sortes d’éléments que l’on qualifiera d’utiles pour parler des éléments nutritifs importants lors de la valorisation des boues par épandage ou d’indésirables lorsque l’on parlera des micropolluants. Parmi les éléments utiles, on retrouve principalement le carbone, l’azote et le phosphore. Concernant les éléments indésirables, ce sont les métaux qui prédominent.
Eléments nutritifs
La boue est composée d’eau et de matière sèche. En sortie du traitement des eaux usées, les boues brutes sont liquides (1 à 2% de matière sèche).
La matière sèche (MS) représente la matière solide sèche obtenue après évaporation de l’eau contenue dans la boue humide. La MS comprend la matière minérale et la matière organique aussi appelée matière volatile sèche (MV). La teneur en MV s’exprime en % de MS. Elle permet d’évaluer le degré de stabilisation de la boue et son aptitude à subir divers traitements. Plus le taux de MV est faible, plus la boue est facile à épaissir ou à déshydrater (OTV, 1997).
L’azote est présent dans les boues sous forme organique (protéines, acides aminés …) et sous forme minérale (nitrates, nitrites et ammonium). La méthode de détermination de l’azote la plus commune est la méthode Kjeldahl. L’azote total Kjeldahl (NTK) comprend l’azote organique et l’azote ammoniacal (NTK = N-Norg + N-NH4+). La teneur en azote des boues dépend du type et de l’origine des eaux usées et du type de traitement appliqué. L’azote ammoniacal est principalement localisé dans la phase liquide des boues : les traitements ayant pour but de réduire la teneur en eau ont également tendance à réduire la teneur en azote totale des boues (Reverdy et al., 2011). La quantité de phosphore présente dans les boues dépend de la qualité des effluents entrants et du type de traitement des eaux et des boues. Le phosphore est présent dans les boues sous forme minérale et organique. Le phosphore minéral représente de 30 à 98% du phosphore total selon le type de boue (Somellier et al., 1996). Dans les boues compostées et digérées anaérobies, le phosphore est présent presque exclusivement sous forme minérale.
Les boues ont une faible valeur fertilisante en potassium (moins de 5 kg K / tonne de MS) quel que soit le type de traitement qu’elles reçoivent, car cet élément fortement solubilisé se retrouve éliminé avec l'eau lors du traitement des eaux usées.
Les boues contiennent aussi d’autres éléments minéraux tels que du calcium, du magnésium, de l’aluminium, du chlore ou du sodium.
Micropolluants
Les boues issues du traitement des eaux usées ne contiennent pas uniquement des éléments utiles. En effet, les procédés de traitement des eaux usées ont une bonne efficacité vis-à-vis de l’élimination des micropolluants contenus dans les eaux. Les eaux traitées ont ainsi une bonne qualité mais la plupart de ces composés s’accumulent par la suite dans les boues (Besnault and Martin, 2011). Parmi les micropolluants étudiés, on retrouve principalement les suivants.
Les Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP) sont une série d’hydrocarbure dont les atomes de carbone sont disposés en anneaux benzéniques unis les uns aux autres sous forme de groupe. Ce sont des composés très hydrophobes (à l’exception du naphtalène) que l’on retrouve dans les boues d’épurations.
Les métaux sont parmi les substances les plus surveillées dans les boues car de nombreuses réglementations en font un facteur limitant à l’épandage des boues.
Les Polychlorobiphényles (PCB) constituent une famille de 209 composés aromatiques organochlorés dérivés du biphényle. Depuis 20 ans, ces substances ne sont plus utilisées dans la fabrication d’appareils en France. Ce sont des composés insolubles dans l’eau.
Les phtalates sont des produits chimiques dérivés de l’acide phtalique. Ils sont utilisés dans l’industrie comme plastifiants des matières plastiques. Le DEHP (di-2-éthylexyle) est le plus utilisé et le seul contrôlé par la législation. Il a une faible solubilité et une bonne adsorption dans la boue. Les alkylphénols proviennent de l’alkylation des phénols et sont utilisés massivement dans l’industrie comme précurseurs de détergents ou comme additifs de carburant et lubrifiants. Ils sont très lipophiles et persistants.
Les Polybromodiphényléthers (PBDE) sont une suite de 209 produits chimiques bromés. Ils sont utilisés comme retardateur de flamme pour les plastiques et textiles. Ce sont des composés lipophiles et peuvent être volatiles selon leur degré de bromation.
De nombreuses autres substances comme les pesticides, les produits pharmaceutiques, ou les produits de soin sont qualifiées de polluants émergents car leurs concentrations dans la nature
sont relativement faibles mais les risques découlant de ces substances pour la santé humaine ou animale ne sont pas bien connus.
Nombre de ces micropolluants ont été classés comme substances prioritaires par la Directive Cadre sur l’Eau. Ces substances sont réparties en 3 familles : les pesticides, les éléments traces métalliques (ETM) et les polluants industriels (Tableau 3).
L’Annexe I représente la concentration dans les boues brutes avant traitement de chacun de ces éléments.
Tableau 3 : Liste des substances prioritaires suivies dans l'eau (Art R. 212-9 Code Environnement)
Pesticides
Alachlore, Atrazine, Chlorfenvinphos, Éthylchlorpyrifos, Diuron, Endosulfan, Hexachlorobenzène, Hexachlorocyclohexane, Isoproturon, Pentachlorobenzène, Pentachlorophénol, Simazine, Trifluraline
ETM Cadmium, Mercure, Nickel et Plomb
Polluants industriels
Anthracène, Benzène, C10-13-Chloroalcanes, Chloroforme, 1,2-Dichloroéthane, Dichlorométhane, Diphényléther bromé, DEHP, Naphtalène, Nonylphénol, Octylphénol, Tributylétain, Benzo(b,k)fluoranthène, Benzo(a)pyrène, Benzo(g,h,i)perylène, Indeno(1,2,3-cd)pyrène, Fluoranthène, Trichlorobenzène, Hexachlorobutadiène, Penta BDE (28, 47,99, 100, 153, 154)
Le choix d’une filière de traitement des boues doit prendre en compte plusieurs critères pour être la plus performante possible : la qualité et la quantité de boue à traiter ainsi que la destination finale de la boue. En effet, selon la filière de valorisation choisie, les siccités requises ne seront pas les mêmes. Les différents critères de définition des filières de traitement des boues sont alors
le niveau de siccité souhaité, le degré de stabilisation recherché, la nature de la boue à traiter, les coûts d’investissement et les coûts d’exploitation.
1.3 Le traitement des boues
Les objectifs du traitement des boues sont multiples. Le premier objectif du traitement des boues sera donc de diminuer la teneur en eau contenue dans les boues, dans le but de réduire leur volume tout au long de la filière. Le deuxième objectif est la stabilisation de la matière organique, dans le but de réduire les nuisances olfactives engendrées lors de leur valorisation. Les boues étant aussi composées d’agents pathogènes, le dernier objectif du traitement des boues est leur hygiénisation qui passe par la réduction (voir la destruction) de ces micro-organismes.
Il existe quatre grands procédés de traitement des boues répondant à ces objectifs : l’épaississement, la déshydratation, la stabilisation et le séchage.
1.3.1 Le conditionnement
Afin d’améliorer la séparation liquide-solide, un conditionnement préalable des boues est nécessaire pour certains procédés, notamment dans le cas d’un épaississement dynamique et d’une déshydratation mécanique. Il existe deux types de conditionnement : le conditionnement chimique et le conditionnement thermique.
Les réactifs minéraux : les sels de fer (chlorure ferrique ou chloro-sulfate de fer) et la chaux. Ils sont principalement utilisés avec les filtres à plateaux.
Les réactifs organiques : les polymères de type cationique. Ils peuvent être utilisés sous forme de poudre ou liquide.
Le conditionnement thermique consiste à chauffer la boue à haute-température pendant un court laps de temps. Il est moins utilisé que le conditionnement chimique et ne sera pas pris en compte par la suite.
1.3.2 Les procédés d’épaississement
L’épaississement est généralement la première étape du traitement des boues. Il réduit le volume de boue à transférer dans la filière et permet d’obtenir une boue plus concentrée de l’ordre de 3 à 5 % de MS (OTV, 1997) (Bravo and Ferrer, 2011) (Nakakubo et al., 2012). On distingue trois technologies pour l’épaississement qui sont présentées dans le Tableau 4.
Pour chacun de ces procédés, l’eau clarifiée extraite de la boue est renvoyée en tête de STEU pour être mélangée avec les eaux usées.
Tableau 4 : Comparaison des méthodes d'épaississement
Méthodes Caractéristiques Avantages Inconvénients
Epaississement statique gravitaire
- Décantation des boues sous l’effet de la pesanteur
- S’applique de préférence aux boues primaires et
boues mixtes - Facilité de fonctionnement - Faible consommation énergétique - Pas de conditionnement nécessaire - Réduction du volume de boue de 2 à 8 fois (Dewil et
al., 2009) (Soda et al., 2010)
- Besoin d’espace - Nuisances olfactives
possibles - Faibles performances sur les boues biologiques
Epaississement dynamique par
flottation
- Dissolution d’air dans la boue : formation de bulles d’air entraînant les MES en
surface
- S’applique de préférence aux boues biologiques
(Almansour, 2011) - Facilité d’exploitation - Surface réduite - Consommation d’énergie élevée - Conditionnement nécessaire pour plus de
performances
Epaississement dynamique par
égouttage
- Epaississement sur une toile filtrante - Trois technologies possibles : table, grille ou
tambour d’égouttage
- Moins d’espace requis - Simplicité d’exploitation
- Besoin de main d’œuvre - Conditionnement
nécessaire - Consommation d’eau de
lavage
(OTV, 1997) cite aussi un épaississement dynamique par centrifugation. La centrifugation est surtout utilisée pour la déshydratation et ne sera donc pas considéré ici comme un procédé d’épaississement.
1.3.3 Les procédés de déshydratation
La déshydratation permet de réduire la teneur en eau des boues de façon plus poussée que l’épaississement. A la sortie de cette étape, les boues obtenues deviennent pâteuses à solides (Turovskiy and Mathai, 2006). Il existe deux types de déshydratation : la déshydratation mécanique et la déshydratation naturelle. La technique la plus utilisée pour la déshydratation naturelle est celle des lits de séchage plantés de roseaux (LSPR). Le détail des procédés de déshydratation est présenté dans le Tableau 5.
De la même façon que pour l’épaississement, l’eau clarifiée extraite de la boue est renvoyée en tête de STEU pour être mélangée avec les eaux usées.
Tableau 5 : Comparaison des méthodes de déshydratation
Méthodes Caractéristiques Avantages Inconvénients
Centrifugation
- Utilisation de la force centrifuge
- Siccité obtenue variant de 17 à 20 % (Reverdy and Pradel, 2010) (Wakeman,
2007)
- Fonctionnement en continu - Peu d’espace requis
- Automatisable - Consommation d’énergie élevée - Consommation de polymère Filtre à bandes - Déshydratation par compression et cisaillement
entre deux toiles - Siccité obtenue variant de
15 à 18 % (Reverdy and Pradel, 2010) (OTV, 1997) - Fonctionnement en continu - Facilité d’exploitation - Coûts modérés - Siccité limitée - Consommation d’eau de lavage - Sensible au dosage en polymères Filtres à plateaux - Déshydratation par compression entre deux
plateaux
- Siccité obtenue variant de 25 à 40 % (Turovskiy and
Mathai, 2006)
- Siccité élevée - Bonne texture de boue
- Coûts d’investissement 2 à 3 fois plus élevés (OTV,
1997) - Entretien et maintenance spécialisés LSPR - Déshydratation à l’air libre : drainage et évaporation de l’eau - Siccité obtenue de 25 % (Uggetti et al., 2011) - Faible coût d’investissement - Faible consommation en énergie - Pas de conditionnement nécessaire
- Espace requis important - Nuisances olfactives
possibles - Emissions azotées potentiellement plus
importantes - Dépendance aux aléas
climatiques
1.3.4 Les procédés de stabilisation
L’objectif de la stabilisation est de diminuer la fermentescibilité des boues (diminution des nuisances olfactives) et de réduire les agents pathogènes contenus dans ces dernières. Les différents procédés de stabilisation les plus utilisés sont présentés dans le Tableau 6.
Le biogaz produit par digestion anaérobie est généralement composé de deux tiers de méthane et d’un tiers de dioxyde de carbone (Cao and Pawlowski, 2013). Il est ensuite valorisé pour fournir de l’électricité et de la chaleur. La plupart des STEU en France utilise le biogaz pour la production de chaleur pour le chauffage des digesteurs (Reverdy et al., 2011). L’inconvénient de cette méthode est la faible proportion d’énergie valorisée. La cogénération permet une double valorisation thermique et électrique du biogaz tout en assurant un bon rendement. En moyenne, 63 % du biogaz produit par la digestion anaérobie est valorisé et les 37 % restants sont brulés en torchère (Reverdy et al., 2011).
Tableau 6 : Comparaison des méthodes de stabilisation
Méthodes Caractéristiques Avantages Inconvénients Chaulage
(Barbe et al., 2002)
- Utilisation de chaux vive (CaO) - Ralentissement des processus
biologiques de fermentation
- Intéressant pour l’épandage des boues
sur sols acide
- Augmentation du volume de boue à évacuer (+10%) (OTV,
1997)
Compostage
- Dégradation de la MO par des micro-organismes - Effectué en milieu aérobie - Phase de fermentation suivie
d’une phase de maturation
- Assure une excellente stabilisation, hygiénisation et valorisation agricole - Siccité élevée - Emissions d’ammoniac et de GES - Nécessité d’utiliser des agents structurants pour améliorer la fermentation (Mallard et al., 2005) Digestion
aérobie
- Métabolisation de la MO par des bactéries aérobies
- Réduction du volume de boue
- Injection d’air dans le bassin d’aération
Digestion anaérobie (Méthanisation)
- Procédé biologique naturel - Dégradation de la MO par des
micro-organismes - Digestion mésophile (35°C) ou thermophile (55°C) (Ughetto, 2012) - Production de biogaz riche en méthane, récupéré et valorisé - Réduction importante du volume de boue
- Faible siccité obtenue
1.3.5 Les procédés de séchage
Le séchage est généralement la dernière étape du traitement des boues. Le but est l’élimination partielle ou totale de l’eau interstitielle contenue dans les boues afin de réduire leur volume (et ainsi de diminuer les coûts de transport), l’augmentation de la valeur calorifique et l’amélioration de la texture de la boue avant épandage. Le taux de siccité obtenue varie de 35 à plus de 90% (dans ce cas il y a stabilisation, voire hygiénisation) et dépend de la destination finale des boues.
Tableau 7 : Comparaison des méthodes de séchage
Méthodes Caractéristiques Avantages Inconvénients
Séchage thermique
- Séchage sous l’action d’une chaleur appliquée par
un fluide
- Siccité obtenue pouvant aller jusqu’à 95 % (Walter
et al., 2006)
- Grande capacité de séchage - Séchage plus poussé
- Peu rentable pour les petites stations - Usure/maintenance - Coût du séchage fonction
de la teneur en eau des boues
Séchage solaire
- Utilisation de l’énergie solaire
- Siccité obtenue variant de 70 à 75 % (Lima et al., 2012) (Wittmaier et al.,
2009)
- Coûts d’entretien assez faible
- Stockage possible - Pas d’énergie thermique
requise
- Réduction du volume des boues d’un facteur 3 à 4
(Brison et al., 2010)
- Nuisances olfactives (NH3,
H2S) et poussières
- Dépendance des conditions météorologiques
- Espace requis important
Dans une filière boue, au sein d’une STEU, tous les procédés de traitement des boues que nous venons de décrire ne sont pas forcément utilisés. Le choix des procédés et leur couplage n’est pas le même dans toutes les STEU. Il dépend fortement des contraintes socio-économiques locales (capacité nominale, filière de valorisation disponible). Il existe donc ainsi une multitude de filière de traitement des boues. Par exemple, la filière de traitement la plus utilisée en France est le
couplage épaississement/déshydratation/compostage des boues (Reverdy and Pradel, 2010). On retrouve aussi de nombreuses STEU ayant recours à la digestion anaérobie avant la déshydratation par centrifugation des boues. La Figure 5 suivante montre des exemples de filière de traitement des boues.
Figure 5 : Exemple de filières de traitement des boues
Le tableau suivant (Tableau 8) récapitule les valeurs de siccités obtenues après les différents types de traitement des boues.
Tableau 8 : Récapitulatif des siccités obtenues selon le type de traitement des boues
Traitement Siccité en fin de traitement (%) Type de boue Epaississement 2 à 6 % Boue liquide Digestion anaérobie 5 à 10 % Boue liquide Digestion aérobie 15 à 20 % Boue pâteuse
Chaulage 20 à 30 % Boue pâteuse Déshydratation 15 à 40 % Boue pâteuse à solide
Compostage 50 à 65 % Boue solide Séchage 75 à 95 % Boue solide à sèche
Cette première partie bibliographique a permis d’identifier les procédés de traitement des boues et les différentes technologies les plus utilisées en France. Afin de mener à bien l’ACV des filières de traitement des boues, il faut maintenant réaliser les inventaires de cycle de vie de chaque procédé avant de les modéliser sous SimaPro. La constitution de ces inventaires passe par la détermination qualitative puis quantitative des différents consommables et émissions pour chaque procédé au travers de la littérature scientifique. La méthodologie utilisée est décrite dans la partie suivante.
2
CHAMPS DE L’ETUDE ET INVENTAIRE DU CYCLE DE VIE
2.1 Objectifs
2.1.1 Objectifs de l’étude
A travers la méthode ACV, l’objectif est d’identifier les filières de traitement des boues à privilégier d’un point de vue environnemental. Afin d’identifier les filières les moins impactantes, il faut d’abord identifier les procédés les moins impactants et caractériser ces impacts. Les trois objectifs principaux sont donc :
La caractérisation de l’impact environnemental des procédés de traitement des boues. L’identification des procédés les moins impactants sur l’environnement en fonction des
technologies utilisées.
L’identification des filières (couplage de plusieurs procédés) qui engendrent le moins d’impact sur l’environnement.
2.1.2 Choix de l’unité fonctionnelle
Le choix de l’unité fonctionnelle fait partie de la première étape de l’ACV. Tous les flux matières et énergies comptabilisés par la suite dans l’inventaire vont se rapporter à l’unité fonctionnelle. Elle dépend de la fonction que l’on désire étudier de manière générale. L’objectif de cette étude est de pouvoir comparer les procédés entre eux, ainsi que les filières de traitement des boues. Il est donc essentiel de choisir une fonction commune à tous ces systèmes. La fonction principale est de traiter les boues issues du traitement des eaux usées. Certains procédés peuvent avoir d’autres fonctions, dites secondaires. C’est le cas de la digestion anaérobie avec la production de chaleur et d’électricité.
L’unité fonctionnelle représente la grandeur quantifiant la fonction principale du système étudié. Dans les ACV « fin de vie », celle-ci inclut très souvent la quantité de déchets à gérer. Cette quantité peut s’exprimer de plusieurs façon : on parle soit de tonne de matière brute, soit de tonne de matière sèche. Etant donné qu’il existe plusieurs types de boues ayant des siccités différentes et que chaque procédé de traitement possède ses propres performances, l’unité fonctionnelle doit permettre de comparer les procédés et les scénarios entre eux. Se baser sur la gestion d’une tonne de MS remplit toutes ces conditions.
L’unité fonctionnelle choisie sera donc :
1 tonne de matière sèche de boue traitée.
2.2 Frontières du système
Après avoir identifié les objectifs et l’unité fonctionnelle de l’ACV, il faut définir les frontières du système à étudier, c’est-à-dire ce que l’on va inclure ou non lors de la constitution des inventaires. On s’intéresse dans cette ACV, uniquement aux impacts environnementaux dus à la filière boue. Dans ce cas, l’impact des procédés de la filière eau sur la filière boue n’est pas pris en compte (Pradel and Reverdy, 2012).
La Figure 6 représente les frontières du système étudié. L’ACV porte sur les étapes du traitement des boues depuis la production de boue brute jusqu’à l’obtention d’une boue traitée. Le devenir des boues une fois traitées n’est pas pris en compte ici. Les infrastructures nécessaires à chaque type de traitement et les impacts que cela engendre sur l’environnent sont pris en compte.
Le transport des boues n’est pas étudié dans l’ACV des filières de traitement des boues. On supposera que les boues sont traitées sur leur lieu de production et stockées au même endroit. Etant donné que la valorisation des boues fait l’objet d’un travail à part, le transport des boues depuis la STEU jusqu’au lieu de leur valorisation est pris en compte dans l’ACV des filières de valorisation des boues. Il en est de même pour le stockage des boues avant épandage.
Figure 6 : Frontières du système de traitement des boues de STEU
En entrée du système global, les boues brutes issues du traitement des eaux usées prises en compte, sont les boues définies dans la première partie, à savoir des boues primaires, des boues secondaires, des boues mixtes et des boues activées n’ayant subi encore aucun traitement.
Pour chaque procédé, les seules sorties de système sont les émissions vers l’air dues aux procédés. En effet, pour le traitement des boues il n’y a aucune émission vers le sol ou vers l’eau. Le choix des procédés à modéliser s’est basé sur la disponibilité des données dans la littérature. Les procédés trop peu renseignés ou peu représentatifs des filières de traitement en France ont été éliminés. Les procédés de traitement utilisés et modélisés sont les suivants :
Le stockage de boues liquides en silo avant traitement.
L’épaississement statique gravitaire, l’épaississement par flottation, l’épaississement par égouttage sur table, grille et tambour.
La déshydratation par centrifugation, la déshydratation par filtre à bandes, la déshydratation par filtre à plateaux et les lits de séchage plantés de roseaux.
Le compostage, le chaulage, la digestion aérobie et la digestion anaérobie. Le séchage thermique et le séchage solaire.
La digestion anaérobie est responsable de la production de biogaz. Ce coproduit est ensuite valorisé pour produire de l’électricité et de la chaleur par cogénération ou bien il est brulé en
torchère. Les procédés modélisés sont donc la valorisation du biogaz en électricité et chaleur par la cogénération. Le procédé de combustion du biogaz en torchère ne sera pas modélisé car les données trouvées dans la littérature sont trop peu nombreuses (émission de CO2 uniquement). L’électricité et la chaleur produite seront ensuite réutilisées par les procédés en aval dans la filière de traitement.
Les données nécessaires à la modélisation de certaines infrastructures proviennent d’un travail antérieur réalisé pour le logiciel GESTABOUES. Ces données sont classifiées selon la taille de la STEU considérée. C’est pourquoi, trois tailles de STEU seront prises en compte pour les procédés de traitement concernés :
STEU petite capacité : < 10 000 EH.
STEU capacité moyenne : entre 10 000 et 100 000 EH. STEU grande capacité : > 100 000 EH.
2.3 Inventaires du cycle de vie
2.3.1 Méthodologie utilisée
Après avoir identifié les différents procédés de traitement des boues, il a fallu déterminer de manière qualitative et quantitative la composition des boues, les consommations et les émissions pour chaque procédé. Pour cela, je me suis principalement aidé de publications scientifiques sur le sujet.
Recherche bibliographique
Irstea est abonné à un certain nombre de revues scientifiques dont les articles sont consultables et téléchargeables via des bases de données de publications scientifiques. J’ai effectué mes recherches bibliographiques sur Web of Science qui est une base de données bibliographiques en ligne disponible sur abonnement pour les universités et les centres de recherches. Cette base de données est divisée en grands domaines de recherches (Science Citation Index, Social Sciences Citation Index et Arts & Humanities Citation Index) qui peuvent être consultés ensemble ou séparément. La période couverte par le Web of Science s’étend de 1975 à nos jours avec une mise à jour hebdomadaire. Les recherches peuvent s’effectuer selon un grand nombre de critères tel que l’auteur, la date de publication, le sujet … De plus, les publications disponibles sur cette base de données sont téléchargeables sous EndNote (logiciel de gestion bibliographique).
Afin de faciliter et de bien orienter mes recherches, j’ai élaboré une liste de mots clés. Cette liste se découpe en trois thèmes : un thème « matière », un thème « procédé » et un thème « émissions » (Tableau 9). Les publications disponibles sur la base de données étant en anglais, les mots-clés sont aussi en anglais.
Dans le thème « matière », se trouve deux déclinaisons de la matière première boue. Le terme « sludge » est le mot anglais pour « boue » et le terme « biosolid » est le mot américain. La troncature des mots va permettre une recherche plus élargie, elle est représentée par l’astérisque. Ainsi la recherche va porter sur le mot tronqué mais aussi sur tous les mots qui en découle (pluriel ou autre). L’opérateur logique « OR » signifie que les résultats contiendront au moins un des termes recherchés. Lorsque l’on souhaite rechercher une expression au complet, on met celle-ci entre guillemets anglais.
Le thème « procédés » regroupe tous les types de procédés pris en compte dans l’inventaire et les différentes technologies utilisées. Ils sont divisés en quatre sous-thèmes représentant les quatre types de procédés : l’épaississement, la déshydratation, la stabilisation et le séchage.
Le dernier thème concerne les émissions au sens large. Ce thème contient les émissions vers l’air dues aux procédés mais aussi les différents micropolluants contenus dans les boues en sortie de traitement. Cette liste a été élaborée pour être la plus exhaustive possible.
Ces trois thèmes sont ensuite connectés par l’opérateur logique « AND ». Les résultats contiendront trois des termes recherchés, au moins un dans chaque thème.
Tableau 9 : Liste des mots clés utilisés pour la recherche bibliographique
Matière sludge* or biosolid* or bio-solid
Procédés
Epaississement
thicken* or “gravity thickening” or “dissolved air flotation thickening” or “flotation thickening” or “gravity belt thickening” or “rotary drum thickening” or “roll thickening”
Déshydratation
dewater* or “centrifugal dewatering” or “belt filter press” or “pressure filter press” or “sand drying beds” or “paved drying beds” or “reed drying beds” or “sludge treatment reed beds”
Stabilisation
stabilization* or stabilisation* or “aerobic digestion” or “thermophilic aerobic digestion” or “mesophilic aerobic digestion” or “dual digestion” or “anaerobic digestion” or “thermophilic anaerobic digestion” or “mesophilic anaerobic digestion” or “liming” or “alkaline stabilization” or “alkaline stabilisation” or "composting”
Séchage dry* or “thermal drying” or “solar drying”
Emissions
Emissions
supernatant or “reject water” or “suspended solid*” or “greenhouse gases emissions” or emission* or phosphorus or sulfur* or sulphur* or “carbon dioxide” or “carbon monoxide” or methane or “hydrogen sulfide” or “hydrogen sulphide” or “volatile organic compound*” or “volatile fatty acid*” or steam or “aromatic gases” or dust
Substances azotées
nitrogen* or “nitrous oxide” or ammoniac or ammonium or nitrate or dinitrogen or “nitrogen oxide”
Polluants émergents
pharmaceutical* or antibiotic* or drug* or hormone* or veterinary or medicine* or PPCP* or steroid* or antimicrobial or antiviral or antimycotic or antifungal or beta-blocker or analgesic or anticonvulsant or antidepressant or anti-inflammatory or antineoplas* or antihistamine
Micropolluants
phthalate* or phtalate* or DEHP or PAE* or DBP or plasticizer* or halogen* or "endocrine disrupt*" or LAS or "linear alkylbenzene sulfonate*" or PFOS or PFOA or perfluoro* or PAH* or PCB* or nonylphenol* or dioxin* or furan* or PCDD* or PCDF* or PBDE* or "flame retardant*" or BPA or bisphenol* or organotin* or polybrom* or polychlor* or polydimethylsiloxane* or surfactant* or detergent* or polymer* or "quaternary ammonium" or ethoxylate* or triclosan or triclocarban or alkylphenol* or "polyaromatic hydrocarb*"
ETM
"trace element*" or metal* or "inorganic contam*" or "inorganic pollut*" or “heavy metal*” or antimony or arsenic or cadmium or chromium or copper or lead or mercury or nickel or selenium or tin or tellurium or thallium or iron or zinc or silver or vanadium
Afin d’affiner les résultats, le thème « matière » est recherché dans le TITLE1 uniquement et les thèmes «procédés » et « émissions » dans le TOPIC2. Voici ci-après un exemple de requête lancé dans le Web of Knowledge portant sur le séchage :
1 Titre de l’article
TI=(sludge* or biosolid* or bio-solid*) and TS=( dry* or “thermal drying” or “solar drying”) and TS=( supernatant or “reject water” or “suspended solid*” or “greenhouse gases emissions” or emission* or nitrogen* or phosphorus or sulfur* or sulphur* or “carbon dioxide” or “carbon monoxide” or methane or “nitrous oxide” or ammoniac or ammonium or nitrate or dinitrogen or “nitrogen oxide” or “hydrogen sulfide” or “hydrogen sulphide” or “volatile organic compound*” or “volatile fatty acid*” or steam or “aromatic gases” or dust or pharmaceutical* or antibiotic* or drug* or hormone* or veterinary or medicine* or PPCP* or steroid* or antimicrobial or antiviral or antimycotic or antifungal or beta-blocker or analgesic or anticonvulsant or antidepressant or anti-inflammatory or antineoplas* or antihistamine or phthalate* or phtalate* or DEHP or PAE* or DBP or plasticizer* or halogen* or "endocrine disrupt*" or LAS or "linear alkylbenzene sulfonate*" or PFOS or PFOA or perfluoro* or PAH* or PCB* or nonylphenol* or dioxin* or furan* or PCDD* or PCDF* or PBDE* or "flame retardant*" or BPA or bisphenol* or organotin* or polybrom* or polychlor* or polydimethylsiloxane* or surfactant* or detergent* or polymer* or "quaternary ammonium" or ethoxylate* or triclosan or triclocarban or alkylphenol* or "polyaromatic hydrocarb*" or "trace element*" or metal* or "inorganic contam*" or "inorganic pollut*" or “heavy metal*” or antimony or arsenic or cadmium or chromium or copper or lead or mercury or nickel or selenium or tin or tellurium or thallium or iron or zinc or silver or vanadium)
Dans le but de limiter le bruit (c’est-à-dire le nombre de références non pertinentes trouvées lors de la recherche), les publications dont le titre évoque un concept de boues industrielles, de boues d’eau potable ou de procédés de traitement des eaux usées ont été éliminées.
Afin de compléter mes inventaires, j’ai aussi été amené à contacter Eva Risch (Irstea-UMR ITAP, Montpellier SupAgro) qui m’a fourni des informations sur les émissions et la consommation de polymère liées aux LSPR.
Ainsi pour chaque procédé, j’ai pu établir une liste des consommations, des émissions vers l’air et des compositions des boues traitées. La composition des boues brutes issues du traitement des eaux usées est aussi recensée.
Traitement et choix des données
Après avoir inventorié l’ensemble de ces données à travers la littérature, il a fallu harmoniser les unités et trier les données à conserver.
Toutes les unités sont ramenées à l’unité fonctionnelle (1 tonne de MS de boue traitée). La plupart des données trouvées dans les publications scientifiques sont déjà exprimées par tonne de matière sèche. Pour celles qui ne l’étaient pas, une conversion s’impose.
Exemple de conversion : Epaississement par flottation (Almansour, 2011) : La concentration en
azote total est de 2,56 g N/l boue épaissie. Or la concentration en MS dans la boue est de 40 g MS/l boue. Ainsi la teneur en azote total dans la boue épaissie est de 2,56 ÷ 0,04 soit 64 kg N / t MS.
Pour tous les procédés de traitement, les valeurs de composition des boues et les différents facteurs d’émissions considérés sont calculés en faisant la moyenne des données disponibles dans la littérature en séparant dans la mesure du possible les données en fonction du type de boue en entrée de traitement. Certaines valeurs trouvées dans la littérature ne sont pas utilisées lors du calcul des moyennes, soit parce qu’elles sont trop différentes des autres données disponibles (exemple dans le Tableau 10) soit parce qu’elles sont inutilisables en l’état et que rien ne permet de les convertir par tonne de MS.
Le tableau suivant est un extrait de l’inventaire réalisé pour le compostage. L’extrait concerne ici la composition en chrome des boues compostées. Les lignes grisées et en rouge sont les valeurs non utilisées pour le calcul du facteur d’émission final.
Dans la littérature, l’origine des boues avant traitement n’est pas toujours spécifiée : l’appellation « boue standard » regroupe alors toutes ces boues dont l’origine n’est pas précisée. La composition des boues standards est donc une composition par défaut.
Tableau 10 : Exemple du traitement des données pour le compostage
Valeur Unité Source
Valeur recalculée (moyenne) Nouvelle unité Facteur d’émission (moyenne)
Unité Type de boue en entrée Chrome 25 à 50 mg/kg MS (De Guardia, 2002) 37,50 g/t MS 35,65 g / t MS Boue standard 2,80 mg/kg MS (Tarantini et al., 2007) 2,80 g/t MS 1236,84 mg/kg P2O5 (Nakakubo et al., 2012) 32,22 g/t MS 119,00 mg/kg MS (Walter et al., 2006) 119,00 g/t MS 50,59 mg/kg MS (De Guardia, 2002) 50,59 g/t MS 0,021 kg/t MS (Ngelah, 2008) 21,00 g/t MS 2,80 à 183,1 mg/kg MS (Mallard et al., 2005) 50,60 g/t MS 0,02 g/kg MS (Almansour, 2011) 22,00 g/t MS 50,70 mg/kg MS (Andres and Domene, 2005) 50,70 g/t MS 50,70 Boue digérée anaérobie déshydratée
Ce travail d’harmonisation et de tri des données a été effectué à deux niveaux. Une partie des données est utilisée pour la modélisation des procédés sous SimaPro et l’autre partie est utilisée pour la réalisation des bilans matières.
2.3.2 Constitution des inventaires de cycle de vie
Les inventaires de cycle de vie (ICV) de chaque procédé ont été réalisés sous tableur Excel. Le Tableau 11 représente l’ensemble des données répertoriées pour chaque type de procédé et chaque technologie, ainsi que leur utilisation finale.
Tableau 11 : Données répertoriées dans les ICV
Type de données Utilisation
Consommations en électricité, chaleur, combustible, polymères, agents
structurants SimaPro
Emissions vers l’air SimaPro / Bilans matières Concentrations en éléments dans l’eau des retours en tête Bilans matières
Composition des boues traitées selon le type de boue en entrée de procédé Bilans matières
