Polluants prioritaires dans les boues de STEP et comportement au sein des filières de traitement des boues

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Synthèse bibliographique

Les boues résiduaires urbaines (BRU)

Origines et production

Les boues résiduaires urbaines (BRU) sont les résidus solides produits par les traitements des STEP au cours desquels les phases liquides et solides sont séparées. Ces boues sont produites au sein des procédés primaires, biologiques et tertiaires. Les traitements primaires et tertiaires produisent des boues par la décantation des MES alors que les traitements biologiques produisent plutôt des boues dues au développement des microorganismes épurateurs. Ainsi ces boues ont des caractéristiques différentes (matières sèches, matières volatiles, nutriments, alcalinité, graisses, etc.). A titre d’exemple, les boues primaires diffèrent des boues secondaires par leur taux de pathogènes plus élevé et leur plus grande facilité à être déshydratées (Donner et al. 2010).

Filières de valorisation des BRU

Avant 1998, les boues étaient classiquement rejetées à la mer ou épandues comme fertilisants agricoles sans traitements importants (Kelessidis et Stasinakis 2012). Cependant, les modifications réglementaires ont fait évoluer la stratégie de gestion de ces boues, en interdisant le rejet à la mer et en encadrant l’épandage. A l’heure actuelle, il existe principalement trois stratégies de gestion des boues résiduaires :
 La réutilisation : épandage, utilisation agricole ou compost,
 L’incinération,
 L’enfouissement.
L’incinération est une technique très intéressante pour gérer les boues en Europe. La part de l’incinération dans le traitement des boues devrait augmenter dans les années à venir (Fytili et Zabaniotou 2008). Les nouvelles technologies d’incinérateurs ont rendu cette technique de plus en plus attractive que ce soit en termes de coûts, compacité, efficacité. Les principaux avantages de cette technique sont la réduction importante du volume des boues, la destruction thermique des composés toxiques organiques, le pouvoir calorifique des boues permettant une production énergétique et la minimisation des odeurs. Environ 30% du solide incinéré demeure à l’état de poussières, qui doivent être enfouies. Si 9 pays de l’UE-27 ne l’utilisent pas du tout, certains pays l’utilisent massivement, comme les Pays-Bas (67%), la Belgique (55%) ou l’Allemagne (50%) (source Eurostat). La Suisse  également décidé en 2003 d’interdire toute utilisation des boues résiduaires à des fins agricoles ; aujourd’hui la totalité des boues résiduaires sont incinérées dans ce pays. Cette filière a tendance à être stable dans la plupart des pays, mais a progressé en Grèce (+46%), Allemagne (+28%), aux PaysBas (+16%) et au Luxembourg (+11%) entre 2000 et 2009 (Fytili et Zabaniotou 2008).
L’enfouissement était une des filières privilégiées avant 1998, mais aujourd’hui il ne représente qu’une part mineure de la gestion des boues résiduaires. Ainsi, certains pays l’ont totalement abandonné (Finlande, Luxembourg, Allemagne, Belgique), alors que d’autres l’ont fortement réduit (Grèce, Portugal, Irlande). Il demeure une option relativement importante en Italie (42%), Grèce (38%), Suède (23%) ou Espagne (15%).
Enfin, la réutilisation des boues consiste à les utiliser comme fertilisants agricoles car elles sont riches en azote et phosphore, à cause de la phase de nitrification/dénitrification du traitement des eaux (Metcalf et Eddy 2003). Cependant, les boues contiennent également des composés persistants et indésirables, du fait de leur sorption sur celles-ci au cours des traitements primaires et biologiques (Mailler et al. 2014b, Ruel et al. 2012), qui sont la plupart du temps toxiques ou cancérigènes pour l’homme ou l’environnement. C’est pourquoi des législations ont été mises en place pour encadrer cette filière, et des traitements sont mis en œuvre sur les boues.
Les boues peuvent notamment être compostées avant épandage. Cette filière de gestion est la plus utilisée en Europe, notamment en Finlande (100%), au Luxembourg (90%) ou au Portugal (85%) (Kelessidis et Stasinakis 2012). Elle a tendance à se développer en Europe puisqu’entre 2000 et 2009, elle a progressé dans la plupart des pays comme le Portugal (+71%), l’Irlande (+28%), le RoyaumeUni (+14%) ou l’Espagne (+11%) (Kelessidis et Stasinakis 2012). Certains pays ont généralisé le compostage des boues avant utilisation agricole (Finlande, Estonie ou Slovaquie). La filière réutilisation, notamment les traitements qui la composent, est décrite plus en détails dans les paragraphes suivants. Les aspects réglementaires y sont également traités.
De façon globale, 54% des boues européennes (UE-15, 2005) sont réutilisées (44% épandage et 10% compost), 21% incinérées, 15% enfouies et 10% font l’objet d’autres types de valorisations comme dans la construction (source Eurostat) (Kelessidis et Stasinakis 2012). Concernant la France, 47% des boues étaient valorisées en agriculture et épandues en 2008, 26% étaient compostées, 20% incinérées et 7% enfouies (source Eurostat). La tendance nationale est plutôt au développement du compostage (+20% entre 2000 et 2009) au détriment de l’enfouissement (-16%), comme c’est également le cas en Finlande (Kelessidis et Stasinakis 2012).

Aspects réglementaires

Les boues résiduaires sont classées comme déchets non dangereux depuis 2001 et les stratégies de gestion ont été hierarchisées, afin d’encourager leur réutilisation. Le principal texte qui régit actuellement la valorisation des boues est la Directive européenne 86/278/EEC (EC 1986), amendée en 1991 (EC 1991). Ce texte définit et encadre les pratiques d’épandage des boues, encourage leur réutilisation agricole lorsque leur qualité le permet et réglemente leur utilisation pour éviter les effets néfastes sur les sols, la végétation, les animaux et l’Homme (Kelessidis et Stasinakis 2012). Outre les règles pour l’échantillonage et l’analyse des boues et sols, elle fixe des valeurs limites pour certains métaux lourds (Tableau II-3)

Présence des micropolluants dans les BRU

Un grand nombre de molécules présentes dans les eaux usées et peu biodégradables Traitements biologiques des eaux se retrouvent dans les boues résiduaires. On peut distinguer trois types de composés sorbés sur les boues :
 Les métaux ont tendance à se trouver dans la phase solide sous différentes formes : précipités dans les flocs de boues, complèxes solubles avec les biopolymères, accumulation dans les cellules des microorganismes et ions métalliques solubles (Chipasa 2003b).
 Les molécules hydrophobes (log KOW > 4) : ces molécules se retrouvent majoritairement en phase particulaire de par leur hydrophobicité,
 Les molécules adsorbables : certaines molécules hydrophiles (log KOW < 4) ont une tendance plus ou moins prononcée à s’adsorber sur les boues de par leurs propriétés physicochimiques (polarité, sites liaisons hydrogènes, structure chimique) (Byrns 2001, Ternes et al. 2004a),
Ainsi, nombre de molécules sont retrouvées dans les boues résiduaires. En ce qui concerne les composés plutôt hydrophobes, les alkylphénols, phtalates, organoétains, PBDEs, HAPs ou PCBs sont classiquement retrouvés dans les boues de STEP (Tableau II-5). Les métaux ont également une forte affinité avec la phase particulaire. D’ailleurs, (Karvelas et al. 2003) ont déterminé qu’entre 40 et 80%, selon le métal, du flux massique se retrouve piégé dans les boues de STEP.
La contamination varie en fonction du bassin versant ou du type de boues mais des teneurs élevées de l’ordre du mg/kg MS sont généralement retrouvées pour ces composés. (Byrns 2001) estime que les molécules hydrophobes sont majoritairement éliminées par sorption sur les boues, et que ce phénomène est corrélé au log KOW des molécules. Des mesures in-situ dans la littérature ont montré que ces composés, notamment les HAPs, métaux, chloroalcanes, DEHP, PBDEs et alkylphénols sont fortement présents dans la phase particulaire des eaux usées, et sont donc abattus par l’intermédiaire de l’abattement des MES (Fatone et al. 2011, Gasperi et al. 2010, Gilbert et al. 2012, Ruel et al. 2012). Cela explique la fréquence de détection et les teneurs élevées auxquelles ils sont généralement retrouvés dans les boues (Tableau II-5).
De plus, certaines études confirment directement la conceptualisation de Byrns en établissant des bilans. Ainsi, entre 10 et 80% du flux des HAPs, dépendant du composé, se retrouve dans les boues issues des traitements primaires et biologiques (Manoli et Samara 1999). (Boonyaroj et al. 2012) ont estimé que dans un BRM, 85% du flux de DEHP (log KOW = 7,54) se retrouvait sorbé sur les boues contre seulement 11% pour le bisphénol A (log KOW = 3,32). De même, (Keller et al. 2003) ont montré qu’entre 51,5 et 93,5% du flux de 4-NP (log KOW = 5,76) entrant se retrouve dans les boues traitées de 3 STEP américaines, alors qu’environ 49% du PFOS est transféré aux boues résiduaires (Arvaniti et al. 2014).
Pour les alkylphénols, ce phénomène de sorption peut paraître moins prédominant au regard des fractions éliminées par sorption, puisque la biodégradation intervient également. Ainsi, (Clara et al. 2007) ont montré que dans les eaux usées environ 15% du flux d’alkylphénols abattu l’est par sorption sur les boues au cours des traitements à boues activées alors que 85% du flux est biodégradé. Etant donné les KD élevés déterminés dans la littérature pour ces composés (Ahel et al. 1994, Brunner et al. 1988, Clara et al. 2007, Langford et al. 2005), cela signifie que les alkylphénols se sorbent massivement, mais que la majorité de ces molécules sorbées sont ensuite biotransformées par la biomasse épuratrice.

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).

Devenir des micropolluants prioritaires et émergents dans les filières de traitement des eaux usées et des boues résiduaires

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.

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.

Les procédés thermiques de déshydratation et d’élimination

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.

Processus au sein des autres traitements

Certains traitements sont susceptibles d’éliminer les micropolluants comme le séchage thermique ou le chaulage, car ils modifient de façon importante les propriétés des boues. Au contraire, aucun abattement n’est attendu, à priori, au cours des traitements d’épaississement (centrifugation, filtration, etc.), pour lesquels seule la quantité d’eau des boues est réduite.
Lors du chaulage, l’ajout d’un réactif chimique peut perturber la sorption des micropolluants (pH, réactions, etc.) qui peuvent être relargués et volatilisés, ou subir des transformations chimiques au contact de la chaux. Cependant, aucune étude ne s’est intéressée au devenir des micropolluants au cours du chaulage. De même, le séchage thermique s’effectuant à une température relativement élevée (T > 100°C), des transferts à l’atmosphère peuvent se produire par désorption et volatilisation des polluants (Tuncal et al. 2011). Des transformations abiotiques telles que l’hydrolyse sont également possibles à une telle température (Kepp et al. 2000, Veeken et Hamelers 1999).
De manière générale, ces pertes ne sont pas estimées ou si estimées elles demeurent faibles. À titre d’exemple, selon (Voulvoulis et Lester 2006), seulement une très faible quantité d’organoétains peut être perdue en théorie au cours du séchage thermique des boues étant donné la forte tendance de ces molécules à être adsorbées sur les particules. En effet, les points d’ébullition du MBT, DBT et TBT sont respectivement de 145°C, 135°C et 172°C. De plus, le TBT est thermiquement stable jusqu’à 200°C (Zuckerman et al. 1979). Ainsi, il est clair que ces molécules auront plutôt tendance à être résistantes au séchage thermique qui s’effectue la plupart du temps à 105°C, et les processus de volatilisation ou dégradation thermique ne seront que très minoritaires en cas d’abattement (Voulvoulis et Lester 2006). A des températures plus élevées, notamment à plus de 200°C, des pertes abiotiques sont à envisager.

Efficacité d’élimination des micropolluants

Peu d’études fournissant des efficacités d’élimination des micropolluants par les traitements des boues de STEP sont disponibles dans la littérature. La plupart des travaux se concentre sur certaines catégories de molécules comme les HAPs, métaux, nonylphénols et phtalates (DEHP), qui sont connus pour se sorber sur les boues et pour leur toxicité (Donner et al. 2010). De plus, la plupart des travaux disponibles concernent des procédés à l’échelle laboratoire et non en conditions réelles d’exploitation. La digestion anaérobie étant le procédé le plus utilisé dans les stations de traitement des boues résiduaires (Christensen et al. 2004) et permettant un abattement des molécules organiques (matière sèche), ce procédé est de loin celui qui a été le plus étudié dans la littérature. Dans une moindre mesure le compostage et les autres traitements aérobies ont également fait l’objet de quelques études.
Le Tableau II-7 présente une synthèse des connaissances sur le devenir de différentes familles de micropolluants au cours des deux principaux traitements biologiques (digestion anaérobie et compostage).

Table des matières

Abstract
Liste des publications et communications
1 Publications
1.1 Internationales
1.2 Nationales
2 Communications
2.1 Internationales
2.2 Nationales (orales)
Introduction générale
Chapitre I : Filières conventionnelles de traitement des eaux résiduaires urbaines
1 Introduction
2 Synthèse bibliographique
2.1 Filières conventionnelles de traitement des ERU
2.2 Le traitement primaire
2.3 Le traitement biologique
2.4 Conclusions
3 Comportement des micropolluants prioritaires dans les filières conventionnelles de traitement des eaux usées
3.1 Introduction
3.2 Methods
3.3 Results and discussion
4 Qualité des rejets de STEP vis à vis des résidus médicamenteux et autres polluants émergents
4.1 Introduction
4.2 Matériels et méthodes
4.3 Qualité générale des rejets de STEP
4.4 PPHs dans les effluents de STEP
4.5 Conclusions
5 Conclusions du chapitre 1
Chapitre II : Filières de traitement des boues résiduaires urbaines
1 Introduction
2 Synthèse bibliographique
2.1 Les boues résiduaires urbaines (BRU)
2.2 Le traitement des BRU
Conclusions
3 Polluants prioritaires dans les boues de STEP et comportement au sein des filières de traitement des boues
3.1 Introduction
3.2 Materials and methods
3.3 Results and discussion
4 Polluants émergents dans les boues de STEP
4.1 Introduction
4.2 Materials and methods
4.3 Results and discussion
5 Conclusions du chapitre 2
Chapitre III : Traitement tertiaire des eaux résiduaires urbaines par charbon actif 
1 Introduction
2 Synthèse bibliographique
2.1 Théorie de l’adsorption
2.2 Adsorption des micropolluants sur le charbon actif
2.3 Efficacité du charbon actif pour éliminer les micropolluants de l’eau
2.4 Conclusions
3 Elimination des micropolluants prioritaires et émergents des rejets de STEP par charbon actif en lit fluidisé : etude du pilote CarboPlus®
3.1 Charbon actif en poudre (CAP)
3.2 Charbon actif en micro-grains (CAµG)
4 Etude du processus de sorption des micropolluants sur le charbon actif en eaux usées
4.1 Introduction
4.2 Matériel et méthodes
4.3 Résultats et discussion
4.4 Conclusions
5 Conclusions du chapitre 3
Conclusions générales et perspectives
1 Conclusions générales
2 Retombées opérationnelles
3 Perspectives de recherche
Références bibliographiques

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