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Réduire les boues un défi high-tech

Thierry mahé

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- Une impressionnante armada de technologies vise à réduire au minimum les boues que rejettent bassins d'épuration et stations industrielles. En l'absence de réelle obligation, la pression publique fait sortir ces procédés des laboratoires.

Chaque équivalent-habitant (EqH) en France produit quotidiennement 150 litres d'eaux usées qui, au sortir du bassin de décantation, se réduisent à 5 litres de boues. Soit, sur la totalité du territoire, près de 1,5 million de tonnes de boues estimées en matière sèche.

Comment s'en débarrasser ? Tout au moins les réduire. Et en premier lieu, est-ce utile ? Car une bonne vieille méthode consiste à épandre les boues comme engrais. C'est encore très globalement valable pour les communes rurales. Mais la boue, ça voyage très mal. Or, ce sont les grandes communautés urbaines qui en génèrent le plus...

Didier Cretenot (Veolia, ex-Vivendi) explique : « Si je veux réduire mes boues de moitié, un simple digesteur [procédé anaérobie, voir plus loin] suffit. Au-delà, il va falloir utiliser des procédés de réduction à la source... Procédés coûteux et difficiles à mettre en oeuvre qui ne sont viables que pour des stations d'au moins 30 000 à 50 000 équivalents-habitants. »

Vers une filière biogaz ?

Or, en France, on compte surtout des stations de 2 000 équivalents-habitants. Se greffe à cela le "ressenti " de l'environnement, pas toujours rationnel. Une station d'épuration, un abattoir, cela dégage des odeurs parfois pestilentielles, sans pour autant qu'il y ait atteinte à la santé publique. En revanche, un vrai danger sanitaire échappe souvent à nos fines narines... On en vient donc souvent à incinérer des boues, ce qui est une absurdité écologique... au nom du ressenti écologique.

C'est donc étroitement sous la pression publique que les technologies de traitement des eaux usées - donc des boues - vont évoluer. Ce, en l'absence de presque toute obligation légale. Si le problème posé est souvent de nature politique et sociologique, les réponses avancées par les trois grands opérateurs français de l'eau (Veolia ; Degrémont, du groupe Suez, ex-Lyonnaise des eaux ; Saur du groupe Bouygues) font, elles, appel à une débauche de hautes technologies. Et le problème passionne également des laboratoires comme ceux du CEA ou de l'Insa, en France, de l'Institut Fraunhofer en Allemagne, etc. Objectif ? Produire moins de boues, plus sûres et de préférence sans odeur. Le tout sans perdre d'énergie, voire en en générant.

Au fait, qu'est-ce qu'une boue ? De l'eau, essentiellement. Plus des micro-organismes et des matières organiques particulaires, c'est-à-dire de la matière inerte, pas facilement dégradable, comme des cheveux, du papier...

Le procédé déjà couramment utilisé - surtout en Allemagne, au Royaume-Uni, en Suisse, dans les pays scandinaves - c'est la méthanisation, encore appelée digestion par fermentation anaérobie, c'est-à-dire en l'absence d'oxygène. Il réduit jusqu'à 40 % le volume de boue. En méthanisation, il faut distinguer les procédés mésophiles (autour de 35 °C) mais qui nécessitent un long séjour, entre 20 et 25 jours. Et les procédés thermophiles (65 °C) beaucoup plus efficaces (vers 12 jours) mais qui requièrent un apport de chaleur.

La méthode est "robuste " et libère du méthane qui, brûlé, peut générer de la chaleur utile. Encore faut-il en produire en quantité suffisante pour justifier un investissement de cogénération ou la vente de kWh. On estime que les procédés de récupération du méthane se justifient économiquement à partir de 1 million EqH. C'est le cas de la station de Bruxelles-Nord (version mésophile).

En France, les rares stations équipées d'un digesteur « réchauffent plutôt les oiseaux » avec une torchère... La filière française du biogaz tarde à s'imposer. Et le chiffre souvent avancé d'un parc français de digestion anaérobie de 20 millions EqH est à nuancer. Car, si une centaine de stations de plus de 30 000 EqH "méthanisent", bien peu ont poussé la logique de cogénération. Et aucune de moins de 20 000 EqH n'a de digesteur.

Les procédés dont nous voulons parler ici sont d'une tout autre nature. Sur le papier, du moins, ils prétendent réduire le volume des boues jusqu'à 80 %. Ils sont en phase d'évaluation, à l'exception de Biolysis - de Degrémont-Suez - dont les deux variantes sont déjà industrielles.

Stresser les germes

Leur principe ? Casser la membrane des micro-organismes. Le liquide biologique ainsi libéré va alimenter leurs congénères. Ceux qui ne meurent pas sont... stressés. Et vont se cannibaliser plutôt que songer à se reproduire. C'est ce qu'on appelle l'autolyse. Et pour stresser un germe, tout est bon ! La liste sadique - et partielle - des procédés est dressée dans le tableau p. 68. Ils peuvent être de nature électromécanique (broyage, ultrasons, champs pulsés...) chimique (réaction à l'ozone, au chlore, à la soude, au peroxyde d'hydrogène...), biologique (enzymes, champignons...) ou thermique. Cette fois, ce n'est plus du méthane que l'on produit mais essentiellement du CO2 et de l'eau (minéralisation).

Le procédé Biolysis de Degrémont-Suez recouvre Biolysis-E et Biolysis-O. Le premier est de nature enzymatique et son brevet est japonais (Shinko Pantec). Le second, Biolysis-O, avec O pour ozone, a été développé conjointement avec l'Insa de Toulouse. Les deux présentent une efficacité équivalente. Biolysis-O demande une installation spéciale pour la production de l'ozone. Biolysis-E requiert, lui, une étape supplémentaire d'épaississement des boues par centrifugation. Et une autre encore pour produire les enzymes. « Production "in situ" précise Stéphane Deleris (ingénieur de recherche chez Degrémont). Les bacilles thermophiles qui produisent ces enzymes existent naturellement dans la boue. Mais ils ne s'activent qu'au-delà de 50-60 °C. » Ce qui fait toute la différence avec le procédé MycET de Saur qui fait appel à des champignons d'origine extérieure. Ce dernier procédé est testé à Ouistreham (Calvados) près de Caen (20 000 EqH). Il apporterait une réduction de 30 %.

Le procédé Biolysis-E de Degrémont-Suez est l'un des plus avancé au plan industriel. Il permettrait une réduction des boues de 60 à 80 %. Testé dans les laboratoires de Degrémont (Croissy-sur-Seine - Yvelines) et sur le site pilote de Verberie (Oise), il va être prochainement mis en service à Vannes (Morbihan) dans une station de 80 000 EqH. Une expérience grandeur nature. Dans le même temps, Degrémont a testé son procédé par ozone sur une petite station de 1 000 EqH, à Aydoilles (Vosges), puis à Champagne-sur-Oise (50 000 EqH).

Dans Biolysys-O, comment est produit l'ozone ? Par des décharges électriques à très haut voltage. Et c'est sur cet argument que se défend le CEA pour "placer" sa technologie des champs pulsés. Ces champs font en effet "claquer" les germes comme autant de petits condensateurs. « Autant directement produire ces décharges dans les boues ! »

C'est un laboratoire du CEA (Pierrelatte - Drôme) plutôt spécialisé dans l'ultrafiltration, les membranes et le CO2 supercritique, qui s'est collé au problème. Luc Schrive, qui pilote ces travaux, explique : « Nous avons tiré parti d'une technologie de générateurs très haute tension (24 kV, 2 000 A) développés ici pour des lasers pulsés. Le temps de fonctionnement sans panne est de 200 000 heures ! Ce qui en fait un outil véritablement industriel. Personne n'atteint ce résultat. »

Dégrader les matières particulaires

Le site pilote de Pierrelatte effectue une réduction des boues de 60 %, en continu, en dépensant moins de 1 kWh par mètre cube. Surtout, ce procédé par champs pulsés serait économique. Luc Schrive avance « un investissement quatre fois moindre et un coût de fonctionnement réduit du tiers, pour une station de 50 000 EqH ». Ce qui en ferait l'outil idéal des stations modestes, (moins de 100 000 EqH), précisément les plus mal loties question boues.

Chez Degrémont, on ne nie pas l'intérêt de la technologie (d'autant qu'on y travaille aussi !). « Très prometteur, mais ce procédé n'est bien modélisé que pour les micro-organismes. Or, une boue, c'est n'importe quoi ! Notamment des matières inertes qu'il faut dégrader », commente Stéphane Deleris. De fait, le CEA réalise encore tous ses essais sur des "modèles", en l'occurrence des levures. Et n'a pu encore, faute pour l'instant de partenaires, lancer d'essai sur un problème réel. Cependant, la meilleure preuve de l'intérêt des champs pulsés tient au portefeuille de brevets qu'est en train d'acquérir dans ce domaine le groupe américain Battelle.

Si Degrémont défend la technologie ozone, c'est que ce gaz a une double action : il détruit les germes et dégrade aussi une partie des matières inertes. « Si l'on ne s'intéresse qu'aux germes, je pense qu'on ne peut atteindre un seuil de réduction supérieur à 30 % », précise-t-il. Une autre façon de stresser les micro-organismes consiste à les faire passer dans un résonateur ultrasons. Un procédé où s'illustrent les Allemands, en premier lieu la firme IWE-Tec. Ce procédé, qui convient fort bien à l'autolyse, est en fait généralement adossé à un digesteur.

Eau supercritique au CEA

Parmi les procédés prometteurs, figure aussi l'hydrolyse thermique qui solubilise la matière vivante. Veolia, par exemple, s'en est fait le promoteur avec la famille Thelys. La boue est chauffée à 155 °C sous 10-15 bars. « Selon les recommandations de l'OMS, ce traitement "hygiénise" les boues jusqu'à détruire les prions », précise Didier Cretenot. Ici, le temps de séjour est de 40 minutes et détruit entre 25 et 75 % des boues. Ce procédé est testé depuis deux ans à Witry-lès-Reims (Marne) sous différentes configurations.

Il faut aussi citer le procédé OVH (oxydation par voie humide) que défend le CEA, Degrémont (Mineralis) ou Veolia-OTV (Athos). Il met à profit les propriétés oxydantes de l'eau (procédé OVH) dans des états particuliers de température et de pression. Chez Degrémont, la boue est portée à 300 °C sous 100 bars. Le CEA va plus loin avec l'eau supercritique, au-delà de 374 °C. Sur le papier, ces procédés sont magiques puisqu'ils oxydent totalement la matière. Mais des installations sous pression à haute température font-elles bon ménage avec une centrale d'épuration ? Laquelle n'est en aucun cas une usine high-tech pilotée par des ingénieurs. Ce seront donc les procédés ayant fait preuve de la plus grande robustesse qui vont d'abord s'imposer.

LES BOUES OU COMMENT S'EN DÉBARRASSER Aujourd'hui, en France, les digesteurs, qui se développent dans l'Europe du Nord, sont encore très peu utilisés. Ce sont les trois solutions les plus conventionnelles qui sont adoptées pour se débarrasser des boues, à savoir :

- La mise en décharge (20 %). Comme les boues ne sont pas des déchets ultimes, cette méthode est a priori interdite depuis l'an dernier. Mais pratiquée à tour de bras. - L'épandage (près de 60 % en France). Épandre les boues pour amender les sols cultivés est autorisé... mais soulève le mécontentement des populations riveraines, incommodées par l'odeur et craintives d'une contamination pathogène. - L'incinération (20 %). Incinérer c'est bien, mais cela consomme de l'énergie et génère du CO2. Et répand éventuellement des métaux lourds dans l'atmosphère.

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