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BLASZKOW Frédéric FILALI Rym FOURNIER Amaury GU Siding SADAKA Karine VALORISATI

BLASZKOW Frédéric FILALI Rym FOURNIER Amaury GU Siding SADAKA Karine VALORISATION ÉNERGÉTIQUE DES BOUES DE STATION D’ÉPURATION Valorisation énergétique des boues de station d’épuration Sommaire Introduction ..................................................................................................................................... 3 1. Caractéristiques des boues de stations d’épuration ...................................................................... 3 2. Méthanisation ............................................................................................................................... 4 2.1. Processus de méthanisation et caractérisation des boues ..................................................... 4 2.2. Méthanisation des boues de STEP ......................................................................................... 5 2.3. Valorisation énergétique ........................................................................................................ 5 3. Co-incinération en cimenterie ....................................................................................................... 6 3.1. Problématique ....................................................................................................................... 6 3.2. Fabrication du ciment ........................................................................................................... 7 3.3. Impact des boues sur le ciment et sur l’environnement ......................................................... 7 4. Co-incinération en centrale thermique ......................................................................................... 8 4.1. Processus thermique ............................................................................................................. 8 4.2. Caractéristiques des boues .................................................................................................... 9 4.3. Bilan énergie ...................................................................................................................... 10 5. Pyrolyse ...................................................................................................................................... 10 5.1. Process ................................................................................................................................. 10 5.2. Caractéristique des boues .................................................................................................... 12 5.3. Valorisation des produits ..................................................................................................... 12 6. Gazéification ............................................................................................................................... 13 6.1. Généralités ........................................................................................................................... 13 6.2. Caractérisation des boues de STEP ..................................................................................... 13 6.3. Process ................................................................................................................................. 13 6.4. Systèmes de gazéification pour les déchets: ....................................................................... 14 6.5. Exemple : Technologie de gazéification Noell .................................................................... 14 7. Comparaison des méthodes ........................................................................................................ 15 Conclusion ..................................................................................................................................... 19 Annexes ......................................................................................................................................... 20 Annexe 1 : Méthanisation .......................................................................................................... 20 Annexe 2 : Co-incinération en cimenterie ................................................................................. 21 Annexe 3 : Co-incinération en centrale thermique .................................................................... 22 Annexe 4 : Pyrolyse ................................................................................................................... 23 Annexe 5 : Gazéification ........................................................................................................... 25 8. Bibliographie .............................................................................................................................. 26 Valorisation énergétique des boues de stations d’épuration Page 2 Valorisation énergétique des boues de station d’épuration Introduction Les boues de stations d’épuration sont des résidus de l’assainissement des eaux usées d’origine industrielle ou domestique. L’élimination des boues par épandage agricole est la principale voie de valorisation en France. Lorsque leur recyclage s’avère impossible en agriculture, les boues constituent un déchet humide difficile à brûler et à valoriser par voie thermique. La valorisation énergétique regroupe différentes technologies permettant de convertir la fraction organique des boues en énergie. La valorisation énergétique peut être une voie d’élimination complémentaire ou alternative à la valorisation matière en agriculture. Les technologies de valorisation énergétique des boues de station d’épuration permettent de tirer profit de la nécessité d’éliminer et de détruire les boues. La valorisation des boues, sur le site de la station d’épuration, permet d’améliorer le bilan environnemental en diminuant le transport des boues et en produisant une énergie (chaleur, électricité) directement consommée sur la station. Ces technologies sont pour certaines relativement nouvelles et ne bénéficient encore que de retour d’expérience ponctuel. Il s’agit cependant d’alternatives sérieuses à l’incinération classique présentée bien souvent comme la seule voie thermique possible 1. Caractéristiques des boues de stations d’épuration Les boues urbaines sont produites à plusieurs stades du processus de traitement des eaux usées. Selon les étapes au cours desquelles elles sont recueillies, on distingue: • Les boues primaires dites "fraîches", qui sont obtenues au niveau du décanteur primaire, après séparation physique des matières en suspension par décantation, • Les boues physico-chimiques, qui sont les agrégats formés après des traitements physico-chimiques. • Les boues biologiques, qui proviennent des traitements biologiques des eaux usées dont le principe est de faire dégrader les substances organiques présentes dans l'eau par les microorganismes qu'elles contiennent et que l'on cultive à cet effet. A la différence des deux types de boues précédentes, qui sont des matières brutes décantées, les boues biologiques résultent de la transformation des matières organiques contenues dans les eaux usées. Ces boues sont caractérisées par un certain nombre de critères définissant leur composition physique et chimique : • Leur siccité, c'est-à-dire leur taux de matière sèche. La concentration en matières sèches est exprimée en grammes de matière par litre de boues (ou en pourcentage pour la siccité) • Leur teneur en matière volatile ou matières organiques, par opposition aux matières minérales. La teneur en matière volatile s'exprime en pourcentage du poids des matières sèches. Elle permet d'évaluer le degré de stabilisation des boues et leur aptitude à subir divers traitements (digestion, incinération, ...) • Leur teneur en matière minérale : différence entre matière sèche et matière volatile • Leur pouvoir calorifique inférieur qui permet d'évaluer leur aptitude à l'incinération. Il correspond à la quantité de chaleur pouvant être dégagée par une certaine masse de boue Valorisation énergétique des boues de stations d’épuration Page 3 Valorisation énergétique des boues de station d’épuration • Leur composition en matières fertilisantes (carbone organique, phosphore, azote, oligo-éléments), en éléments indésirables (traces métalliques et en composés traces organiques) et en micro-organismes. La composition exacte des boues varie en fonction de l'origine des eaux usées, de la période de l'année et du type de station d'épuration. Les boues sont très riches en matière organique (50 à 70 % de la matière sèche), ce qui favorise la prolifération des microorganismes qui se multiplient et décomposent la matière organique. En absence d'une aération suffisante, la décomposition libère des composés organiques nauséabonds, ainsi que des gaz à effet de serre (gaz carbonique, méthane, etc.). La décomposition des boues d'épuration libère également de grandes quantités d'azote (principalement sous forme de nitrate) et de phosphore. Les métaux lourds représentent, en moyenne, moins de 0,15 % de la matière sèche. La réglementation évolue avec l'efficacité croissante de la gestion des déchets et les avancées techniques de leur traitement. 2. Méthanisation La méthanisation est utilisée depuis plus d’un siècle pour traiter les boues de stations d’épuration. Malgré cela, le potentiel énergétique de ces ressources est encore peu développé en France. La méthanisation permet cependant de répondre en partie à la problématique des boues de stations d’épuration, car ce processus permet de réduire le volume de boues, de les désodoriser et de les stabiliser. 2.1.Processus de méthanisation et caractérisation des boues La méthanisation ou digestion anaérobie est un processus de minéralisation de la matière organique par une microflore spécialisée. C’est un moyen efficace d’abattement de charge de la matière organique biodégradable. La digestion anaérobie conduit à la formation d’un biogaz riche en méthane et dioxyde de carbone et d’un résidu liquide, le digestat. La méthanisation se déroule en quatre étapes déterminées par les conditions physico- chimiques. Elle fait intervenir successivement trois groupes bactériens. Elle peut se dérouler dans trois gammes de températures, température qui conditionne la vitesse de réaction, la zone psychrophile pour des températures inférieures à 20°C, la zone mésophile de 20 à 45°C et la zone thermophile de 45 à 65°C. La digestion des boues comporte quatre phases de fermentation qui se déroulent simultanément dans le bioréacteur : • Hydrolyse : certains micro-organismes libèrent dans le milieu des enzymes capables d’hydrolyser les macromolécules ou polymères en molécules simples ou monomères. Cette hydrolyse permet de rendre biodisponible la matière organique nécessaire à son assimilation dans le métabolisme microbien ; • Acidogenèse : les monomères sont ensuite hydrolysés en acides gras volatils en alcools et en ammonium ; Valorisation énergétique des boues de stations d’épuration Page 4 Valorisation énergétique des boues de station d’épuration • Acétogenèse : une grande partie des acides gras volatils (AGV) et des alcools est assimilée par les bactéries acétogènes autotrophes pour former de l’acétate. Une autre partie est convertie en hydrogène et dioxyde de carbone ; • Méthanogenèse : le méthane est produit soit à partir de l’acétate (bactéries méthanogènes acétoclastes), soit à partir du dioxyde de carbone et de l’hydrogène (bactéries méthanogènes hydrogénophiles). La méthanisation peut être conduite dans des digesteurs, enceintes confinées à l'intérieur desquelles les réactions de fermentation sont optimisées et contrôlées. On obtient, en sortie de digesteur, différents types de produits en fonction du substrat traité. A partir de boues ou de lisiers, on obtient un effluent stabilisé et désodorisé qui peut être restitué aux sols par épandage, directement ou après un post-traitement destiné à les transformer en compost ou en granulés. Le biogaz issu de la digestion anaérobie contient principalement du méthane et du gaz carbonique. La proportion de ces deux gaz dépend de la nature du substrat, et précisément de la proportion Carbone - Hydrogène - Oxygène - Azote (CHON) (figure 1, annexe 1). 2.2.Méthanisation des boues de STEP La digestion anaérobie des boues urbaines consiste à valoriser et à hygièniser avant leur élimination ce sous-produit de l’épuration. Les boues méthanisées sont : • des boues primaires, c'est-à-dire issues des traitements primaires dans les stations d'épuration (décantation) ; • des boues secondaires, issues du traitement biologique ; • des boues mixtes, c'est-à-dire d'un mélange entre les boues primaires et secondaires : ces dernières représentent la majorité des cas. L'aptitude des boues à être méthanisées dépend de plusieurs facteurs : leur teneur en matière organique (ou matières volatiles) et leur origine. Les boues primaires sont plus aptes à la méthanisation. Pour des boues mixtes, l'abattement en matière sèche est de l'ordre de 40%. L'abattement en matières volatiles est de l'ordre de 55%. La production de méthane est, en moyenne, de 550 litres par kg de matières volatiles dégradées. 2.3.Valorisation énergétique La méthanisation est réalisée sur des boues épaissies à une siccité de 3 à 5 %. La digestion anaérobie permet une réduction de 40 à 50 % de la matière volatile des boues. Cette matière organique est convertie en méthane et en uploads/Industriel/ 2053533100.pdf