XJY Transformer les boues d'épuration en biosolides : un voyage à travers le traitement des eaux usées et au-delà

Introduction du traitement des boues XJY

Avant 1950, la plupart des communautés aux États-Unis déversaient leurs eaux usées dans les ruisseaux et les rivières avec peu ou pas de traitement. À mesure que la population urbaine augmentait, la capacité naturelle des ruisseaux et des rivières à traiter les eaux usées a été dépassée, ce qui a entraîné une détérioration de la qualité de l'eau dans de nombreuses régions. En réponse aux préoccupations concernant la dégradation de la qualité de l'eau, des milliers de communautés à travers les États-Unis ont construit des systèmes de traitement des eaux usées dans les années 1950 et 1960. Cela a permis d'améliorer considérablement la qualité de l'eau des cours d'eau et des rivières, mais a également créé un autre matériau à traiter : les boues d'épuration. Environ 99 % du flux d’eaux usées qui entre dans une station d’épuration est rejeté sous forme d’eau régénérée. Le reste est une suspension diluée de solides qui a été capturée par le processus de traitement. Ces solides issus du traitement des eaux usées sont communément appelés boues d’épuration.

« Boues d'épuration » ou « biosolides » : qu'y a-t-il dans un nom ?

Le terme « biosolides » a récemment été introduit par l'industrie du traitement des eaux usées. L'industrie définit les biosolides comme des boues d'épuration qui ont subi un traitement suffisant pour la stabilisation et la réduction des agents pathogènes, et qui sont de qualité suffisamment élevée pour être épandues. Ce terme vise à distinguer les boues d'épuration traitées de haute qualité des boues d'épuration brutes et des boues d'épuration qui contiennent de grandes quantités de polluants environnementaux. Le terme « biosolides » permet également de distinguer les boues d'épuration des boues industrielles en soulignant que les premières sont produites par un processus biologique. Le terme a été critiqué par certains comme une tentative de dissimuler la nature réelle des boues d'épuration, rendant ainsi l'épandage de ces matières moins répréhensible pour le grand public. Bien que le terme « biosolides » n'évoque sans doute pas les mêmes images négatives que « boues d'épuration » ou simplement « boues », il s'agit d'un terme légitime et fonctionnel lorsqu'il est correctement utilisé pour faire la distinction décrite ci-dessus. Dans ce document, « boues d'épuration » sera utilisé pour désigner les solides du traitement des eaux usées en général, et « biosolides » sera utilisé pour désigner spécifiquement les matériaux qui conviennent à l'épandage sur le terrain.

image 6Boues d'épuration

Production de boues d’épuration municipales XJY

Les eaux usées municipales, ou eaux usées, font référence à l'eau qui a été utilisée dans les maisons ou les entreprises des zones urbaines et suburbaines pour se laver, se baigner et tirer la chasse d'eau des toilettes. Les eaux usées municipales peuvent également inclure de l’eau provenant de sources industrielles. Pour éliminer les produits chimiques ou les polluants résultant des processus industriels, les contributeurs industriels aux systèmes de traitement des eaux usées municipales doivent prétraiter leurs eaux usées avant qu'elles ne soient rejetées dans le système d'égouts. Les eaux usées sont acheminées via le système d'égouts sanitaires vers une station d'épuration centralisée (parfois appelée usine de traitement publique, ou POTW). Au POTW, les eaux usées passent par une série d'étapes de traitement qui utilisent des processus physiques, biologiques et chimiques pour éliminer les nutriments et les solides, décomposer les matières organiques et détruire les agents pathogènes (organismes pathogènes) présents dans l'eau. L'eau régénérée est déversée dans les ruisseaux et les rivières, ou peut être pulvérisée sur de vastes étendues de terre.

photo 7 Boues d'épuration municipales

Le traitement préliminaire des eaux usées brutes implique un criblage pour éliminer les gros objets tels que des bâtons, des bouteilles, du papier et des chiffons, ainsi qu'une étape de dessablage au cours de laquelle les solides inorganiques (sable, gravier, cendres) se déposent rapidement hors de l'eau. Les détritus et les graviers éliminés à cette étape du traitement sont généralement mis en décharge et ne font pas partie des boues d'épuration.

Le traitement primaire implique des processus de sédimentation par gravité et de flottation qui éliminent environ la moitié des matières solides entrant dans cette étape. Les matières solides (organiques et inorganiques) qui se déposent lors de cette étape de traitement sont puisées au fond et constituent les boues primaires. Dans la plupart des POTW, les matières flottantes (huile, graisse, bois et matières végétales) qui sont écumées de la surface de l'eau lors du traitement primaire sont éliminées séparément et ne font pas partie des boues primaires.

Le traitement secondaire est un processus biologique soigneusement contrôlé et accéléré dans lequel des micro-organismes naturels sont utilisés pour dégrader (décomposer ou digérer) les matières organiques en suspension et dissoutes dans les eaux usées. Cette matière est transformée en dioxyde de carbone qui est rejeté dans l'atmosphère et en masse cellulaire microbienne.

Dans les bassins de sédimentation secondaires, la masse cellulaire microbienne se dépose au fond et est éliminée. Cette matière majoritairement organique est appelée boue secondaire.

Certaines usines de traitement comprennent également des étapes de traitement tertiaire conçues pour réduire davantage les éléments nutritifs des plantes (azote et phosphore), les matières en suspension ou la demande biologique en oxygène dans les eaux usées. Le phosphore précipité chimiquement et la filtration produisent une boue tertiaire.

Enfin, l’eau subit un traitement de désinfection pour détruire les micro-organismes pathogènes. L'eau régénérée est ensuite rejetée dans un ruisseau ou une rivière ou peut être pulvérisée sur de vastes superficies de terrain.

XJY Méthodes de traitement des boues d’épuration municipales

Les boues primaires, secondaires et tertiaires sont normalement combinées et le mélange résultant, qui contient de 1 à 4 % de matières solides, est appelé boues d'épuration « brutes ». En raison de leur teneur en agents pathogènes et de leur nature instable et décomposable, les boues d'épuration brutes constituent un danger potentiel pour la santé et l'environnement ; cependant, plusieurs procédés de traitement sont désormais utilisés pour stabiliser les boues d'épuration, diminuer leur teneur en agents pathogènes et augmenter leur teneur en matières solides. Certains des procédés les plus couramment utilisés pour stabiliser et réduire les niveaux d’agents pathogènes dans les boues d’épuration sont répertoriés et brièvement décrits dans le tableau 1.

Que contient les boues d'épuration?

Les boues d'épuration sont composées à la fois de matières inorganiques et organiques, de fortes concentrations de certains nutriments végétaux, de concentrations beaucoup plus faibles de nombreux oligo-éléments¹ et produits chimiques organiques, ainsi que de certains agents pathogènes. Les compositions des boues d'épuration varient considérablement en fonction de la composition des eaux usées et des procédés de traitement utilisés. Le tableau 2 donne les concentrations médianes et du 95e percentile d'éléments nutritifs végétaux et de certains oligo-éléments trouvés dans les boues d'épuration. Ces données proviennent d'une étude approfondie des boues d'épuration produites en Pennsylvanie en 1996 et 1997.

Options pour traiter les boues d’épuration

Les boues d'épuration peuvent être considérées soit comme une ressource organique et nutritive à utiliser de manière bénéfique, soit comme un déchet à éliminer. Avant 1991, de grandes quantités de boues d'épuration, dont certaines provenant de Pennsylvanie, étaient rejetées dans l'océan. Les préoccupations concernant la charge excessive de nutriments dans les eaux océaniques ont conduit à l’interdiction de cette pratique. À l'heure actuelle, presque toutes les boues d'épuration produites en Pennsylvanie ont été traitées et sont de qualité suffisamment élevée pour être classées comme biosolides. Un peu moins de la moitié de ces matières sont éliminées par mise en décharge ou incinération, tandis que les biosolides restants sont recyclés dans le sol par utilisation dans l'agriculture, la remise en état des mines, l'aménagement paysager ou l'horticulture. Chacune de ces options comporte des avantages économiques et environnementaux, des problèmes et des risques qui y sont associés.

Élimination en décharge

Du point de vue de la gestion et de la manutention des matériaux, la mise en décharge est peut-être la solution la plus simple. D'un point de vue économique, la mise en décharge se compare avantageusement aux autres options. Cependant, cela va sans aucun doute changer à mesure que l’espace des décharges deviendra plus limité et que les frais de déversement (coûts de mise en décharge des déchets) augmenteront. D'un point de vue environnemental, la mise en décharge empêche le rejet de tout polluant ou pathogène transporté par les boues en concentrant les boues en un seul endroit. Si la décharge est correctement construite et entretenue, les risques environnementaux sont minimes.

Il existe cependant des risques liés à la mise en décharge des boues d'épuration. Les déchets organiques subissent une décomposition anaérobie dans les décharges, produisant du méthane qui pourrait être rejeté dans l'atmosphère. Le méthane est un gaz à effet de serre impliqué dans le réchauffement climatique. D'autres gaz rejetés par les décharges peuvent provoquer des odeurs désagréables. Les grandes quantités de nutriments que les boues d’épuration ajoutent à une décharge présentent un risque pour l’environnement local. En cas de défaillance du revêtement de la décharge ou du système de collecte des lixiviats, ces éléments nutritifs pourraient contaminer les eaux souterraines et les eaux de surface locales. La mise en décharge des boues d’épuration occupe également un espace précieux et perd les avantages potentiels de la matière organique et des nutriments végétaux contenus dans les boues.

image 8Élimination en décharge

Élimination par incinération

L'incinération des boues d'épuration réduit le volume des matières à éliminer, détruit complètement les agents pathogènes, décompose la plupart des produits chimiques organiques et récupère la petite quantité de valeur calorifique contenue dans les boues d'épuration. Les cendres résiduelles sont une matière inorganique stable, relativement inerte, qui ne représente que 10 à 20 % du volume des boues d'origine. La plupart des métaux traces présents dans les boues d'épuration se concentrent dans les cendres (une concentration cinq à dix fois plus élevée). Ce matériau est le plus souvent mis en décharge, bien qu'il puisse potentiellement être utilisé dans des matériaux de construction.

L'incinération libère également dans l'atmosphère du dioxyde de carbone (un autre gaz à effet de serre) et éventuellement d'autres polluants volatils (cadmium, mercure, plomb, dioxines). Le fonctionnement de l'incinérateur nécessite des systèmes sophistiqués pour éliminer les particules fines (cendres volantes) et les polluants volatils des gaz de cheminée. Cela fait de l’incinération l’une des options les plus coûteuses pour l’élimination des boues d’épuration. Comme pour la mise en décharge, les avantages potentiels de la matière organique et des nutriments végétaux contenus dans les boues d’épuration sont perdus.

photo 9 Élimination par incinération