La digestion anaérobie des boues est un procédé plus que centenaire qui permet de réduire la masse (matières sèches) des boues à éliminer de l'ordre de 35 à 40 %. Il permet également de stabiliser la matière organique et donc de diminuer les nuisances olfactives tout en produisant une énergie valorisable, le biogaz. Bien qu'il soit encore peu répandu en France, ces avantages déterminants devraient permettre à ce procédé de bénéficier dans les années d'un regain d'intérêt. Car sur le plan économique, la digestion s'avère compétitive dans de nombreux contextes : contraintes d'épandage, taille importante de la station, présence de boues primaires. Elle peut être avantageusement couplée avec des traitements tels que le compostage, le séchage thermique ou encore l'incinération.
La digestion anaérobie des boues consiste en une dégradation biologique complète dans un environnement dépourvu d'oxygène libre. Le principe de son fonctionnement est assez simple.
Les boues fraîches fermentent en séjournant au sein d'un digesteur. Malaxées avec le gaz de digestion et chauffées, les boues abandonnent une partie de leur humidité. Sous l'effet des ferments anaérobies qui se développent au sein de la masse de boues, certaines matières organiques sont dissociées en matières minérales et en gaz.
La réaction démarre par un ensemencement avec des boues digérées prélevées dans une autre installation. Un brassage mécanique ou par insufflation de gaz de digestion permet de favoriser le mélange qui doit être le plus homogène possible entre les micro-organismes et les matières à dégrader. Ce mélange permet également d'homogénéiser la température. L'alimentation en boues fraîches doit, de son côté, être aussi régulière que possible et les eaux surnageantes doivent être soutirées périodiquement pour être ramenées en tête de la station.
La qualité de la digestion dépend essentiellement de trois facteurs : la température, le temps de séjour et le degré de stabilisation de la matière organique admise en digestion. La température doit être stable, les valeurs optimales étant voisines de 35°C (digestion mésophile) ou de 50 à 60°C (digestion thermophile). Le TRH ou temps de rétention hydraulique (temps de séjour moyen des boues) est le principal paramètre de dimensionnement d'un digesteur. Il est généralement de l'ordre de 30 jours, ce qui constitue un compromis entre l'optimisation des performances de la dégradation de la matière organique et le volume du digesteur.
Bien mené, le procédé permet de réduire de 40 à 50% la teneur en matières organiques des boues mixtes. Mais il présente d'autres avantages. Le premier est lié à la modification structurelle de la boue traitée. En stabilisant les boues par minéralisation de leur fraction organique et en réduisant leur masse, il constitue dans bien des cas un prétraitement très attractif.
Un prétraitement très attractif
De plus en plus d'exploitants estiment aujourd'hui que la digestion constitue une étape préalable intéressante avant le séchage ou l'incinération, dans la mesure ou elle permet une réduction importante de la masse de boue et optimise par conséquent les investissements liés aux équipements de post-traitement.
Coupler digestion anaérobie et séchage thermique permet par exemple d'optimiser la taille du sécheur, de réduire la consommation de polymères et de chaux et surtout de diminuer la quantité d'eau à évaporer et donc la consommation d'énergie nécessaire au séchage. Un argument important en ces temps d'énergie chère?
La station d'épuration des Cinq Ponts à Cholet (116.000 EH) a opté pour cette solution : deux digesteurs mésophiles de 3.000 m3 traitent un mélange composé de 60% de boues primaires, 14% de boues industrielles (essentiellement des boues d'abattoirs) et 26% de boues biologiques et permettent d'obtenir, après centrifugation, une siccité des boues d'environ 28% et après filtres presses de 45%. Même chose à Limoges (285.000 EH) ou deux digesteurs de 6600 m3 traitent les boues avant séchage thermique.
L?homogénéité des boues issues du digesteur participe également à un meilleur fonctionnement des sécheurs, toujours sensibles aux variations des caractéristiques des boues qu'ils reçoivent.
Le traitement anaérobie des boues permet également de réduire notablement lors du séchage l'apparition de nuisances olfactives parfois couteuses à traiter.
Coupler traitement anaérobie des boues et incinération présente peu ou prou les mêmes avantages avec, en plus, une diminution notable du volume des gaz de combustion en sortie d'incinérateur dont le coût de traitement est élevé et les contraintes en terme réglementaires, lourdes.
Le second avantage du procédé de digestion anaérobie des boues est lié au fait qu'il permet de générer de l'énergie grâce au biogaz produit, permettant à la station d'épuration de progresser dans la voie de l'autosuffisance en énergie.
Progresser dans la voie de l'autosuffisance en énergie
On estime que la digestion anaérobie des boues permet d'obtenir de 250 à 350 m3 de gaz par m3 de digesteur et par an. Ce biogaz peut pratiquement être converti dans toutes les formes d'énergie, notamment sous forme thermique ou encore sous forme électrique après transformation dans un moteur ou encore sous forme de carburant ou combustible.
En règle générale, les valorisations thermiques nécessitent des débouchés de proximité : il peut s'agir de consommations externes au site de production (industries, réseaux de chaleur?) ou d'usages internes. En stations d'épuration, une partie du biogaz produit est en général utilisée pour maintenir le digesteur à la température de fermentation requise (généralement 37 °C ou 55 °C). Cette consommation représente de 15 à 30 % de la production.
L'énergie produite est aussi fréquemment utilisée pour déshydrater les boues. A la station d'épuration des Cinq Ponts de Cholet, le biogaz produit est réutilisé pour le chauffage des bâtiments d'exploitation et le chauffage des boues. Les boues déshydratées sont alors stockées dans deux silos d'une capacité totale équivalente à 9 mois de production et utilisées en épandage agricole.
Mais il est possible d'aller plus loin en réutilisant l'énergie produite au sein même du process. C?est par exemple le cas sur l'usine Seine-Aval du SIAAP : les boues produites sont stabilisées par digestion anaérobie mésophile via 28 digesteurs représentant un volume total de 260.000 m3. Les 160.000 Nm3 de biogaz produits chaque jour sont entièrement valorisés pour produire de la chaleur et de l'électricité permettant d'économiser environ 35% d'énergie primaire.
Sur la station d'épuration de Varsovie, le biogaz produit par trois digesteurs de 8.000 m3 chacun est utilisé pour chauffer le digesteur et le sécheur.
Mais certains exploitants vont encore plus loin et optent pour cette technologie dans le but de rendre leur usine autosuffisante en énergie. Ainsi, sur la station d'épuration de Marrakech, les boues primaires sont digérées et le biogaz fournit, via une unité de cogénération, suffisamment d'énergie pour satisfaire la totalité des besoins de la station d'épuration. Même principe sur la station d'épuration de Gabal (Egypte) ou l'énergie produite par le biogaz fournit, à lui seul, la moitié de la consommation d'énergie de la station, générant une économie évaluée à 450.000 ? par an sur les coûts d'exploitation.
Ainsi, en diminuant la consommation d'énergies non renouvelables, en réduisant les émissions de CO2 ou de CH4 ainsi que les volumes de boues à transporter, à stocker ou à mettre en décharge, la digestion anaérobie constitue une solution d'avenir à ces problématiques.
