COMBINAISONS DE TRAITEMENTS
PHYSICO-CHIMIQUES ET BIOLOGIQUES
POUR UNE PRODUCTION DE BOUES RÉDUITE
REVUE BIBLIOGRAPHIQUE

Etienne Paul*, Hélène Carrère** et Christine Lafforgue***

*Insa, Département génie des procédés industriels, Laboratoire d'ingénierie des procédés de l'environnement

** Inra, Laboratoire de biotechnologie de l'environnement

*** Insa de Toulouse, Département génie biochimique et alimentaire, Laboratoire de biotechnologie et bioprocédés

Cet article propose une synthèse de résultats sur des procédés de couplage de traitements physico-chimiques avec des traitements biologiques de dépollution, ayant pour objectif la réduction de la production de boues. Le couplage de la désintégration des boues, par traitements mécaniques, thermochimiques et ozonation, avec les digestions aérobies et anaérobies en réacteurs classiques ou bioréacteurs à membranes est abordé. L'accent est mis sur l'évaluation des potentialités de différents traitements et co-traitements des boues sur les lignes eaux et boues pour tendre vers une réduction de la production de boues. Les effets de ces traitements sur les performances du système de traitement global et sur les caractéristiques physiques des boues sont ensuite examinés.

This paper is a review of different physico-chemical treatments that can be combined to biological treatments with the aim of sludge production reduction. Mechanical, thermo-chemical and ozone treatments for sludge disintegration are presented, they are combined with aerobic and anaerobic digestions in classical reactors or in membrane bioreactors. The stress is put on i) the potentialities of theses treatments and cotreatments to reduce the sludge production either during the wastewater treatments or during the sludge treatments, ii) on the effects of the treatments on the whole treatment process performances and on the physical properties of the sludges.

INTRODUCTION :
STRATÉGIES DE RÉDUCTION

Le traitement des pollutions organiques par voie biologique génère des boues biologiques qui constituent un résidu de l'épuration et dont l'élimination est onéreuse (incinération) ou de plus en plus problématique pour l'environnement. Ainsi, l'interdiction de l'épandage dans certaines zones (2004) amène de nombreux secteurs industriels à rechercher de nouvelles solutions techniques pour réduire la charge poluante des effluents et la quantité de boues produites en comparaison avec les systèmes d'épuration biologique aérobie traditionnels.

Les méthodes permettant de réaliser une épuration efficac-
ce avec une quantité de boues produites minimale peuvent
être envisagées à deux niveaux :

- d'une part une conception et une conduite maîtrisée du réacteur d'épuration (unité de traitement de la pollution, basin d'épuration...) afin de minimiser à la base le rendement de conversion de la matière organique en biomasse,

- et/ou d'autre part la réalisation de traitements de la bio-
masse produite lors de l'épuration en vue de modifier ses
caractéristiques afin d'envisager une étape ultérieure de
dégradation biologique pour parfaire l'assimilation de la
matière organique.

Cette stratégie, résumée figure 1, repose sur la désintégra-
tion et la consommation des cellules mortes considérées
comme néo-substrat par les cellules vivantes (croissance
cryptique ou “cannibalisme” microbien) et permet d’obte-
nir une diminution notable des rendements de production
de boues ; le rendement final étant le produit des rendements
d’assimilation de la matière organique initiale présente dans
l’effluent (R1) et de celle provenant des néo-substrats, frac-
tions cellulaires issues des micro-organismes produits (R2).
<figure><img src="image_1.png" /><figcaption>**Figure 1 :** Représentation simplifiée du devenir du substrat polluant dans le cas d'une épuration associée à un traitement lytique suivi d'un recyclage</figcaption></figure>

Parmi les différentes technologies de traitement des effluents liquides, le bioréacteur à membrane proposé dans les années 1980 connaît à l'heure actuelle un regain d'intérêt. Ce dispositif correspond à l'association d'un bioréacteur et d'une unité de séparation par filtration. Deux configurations sont rencontrées en épuration biologique des eaux : les bioréacteurs à boucle de filtration externe et les bioréacteurs à membranes immergées qui fournissent l'eau traitée par succion.

Ces dernières années de nombreux groupes ont développé ces dispositifs, tant dans le cadre de processus d'épurations biologiques aérobie qu'anaérobie. Ces installations peuvent, en outre, laisser entrevoir des possibilités de réutilisation de l'eau épurée après filtration comme c'est le cas au Japon lors du traitement des eaux usées domestiques dans des habitations collectives [Manem et Sanderson 1996]. Dans les bioréacteurs à membranes (figure 2), l'étape de séparation de la biomasse n'est plus limitante, les niveaux de concentration en biomasse atteints peuvent donc être très élevés et, en conséquence, les potentialités de bioconversion considérables. De plus, la conduite des bioréacteurs à membranes permet, en jouant sur les conditions opératoires (temps de séjour hydraulique et âge de boues), une grande souplesse dans la gestion relative des flux de substrat et de biomasse [Bouillot et al. 1990], et laisse présager une meilleure maîtrise des comportements métaboliques des microorganismes (croissance endogène, maintenance [Pirt 1965]). De nombreux travaux ont démontré que ce dispositif était un outil de traitement de la pollution particulièrement

performant [Stephenson et al. 2000, Canales et al. 1994, Côté et al. 1998, Manem et Sanderson 1996, Bouillot 1988, Canales 1991].

Les résultats annoncés sur les installations industrielles indiquent d'une façon générale des productions de boues faibles, parfois extrêmement réduites selon l'effluent traité [Stephenson et al. 2000]. Outre une maîtrise optimale des conditions opératoires, plusieurs autres éléments ont été avancés pour justifier les rendements observés, en particulier l'âge important des boues et l'existence de contraintes mécaniques au sein du réacteur pouvant participer à la modification des structures cellulaires et à la lyse des microorganismes.

La minéralisation par voie biologique des boues excédentaires constitue sans aucun doute la plus économique des techniques de traitement en terme de coût de fonctionnement. Cependant, une fraction de la boue est composée de matières organiques très lentement biodégradables (FNB), voire inertes, qui ne peuvent pas être minéralisées par voie biologique. Une augmentation du taux de traitement de la boue peut être obtenue par une augmentation des temps de séjour caractéristiques des procédés biologiques conventionnels. Cependant, cette augmentation d'âge de boue conduit également à une accumulation de plus en plus importante des composés très lentement biodégradables et inertes et devient prohibitive en terme de dimensionnement (taille du bassin biologique trop importante ou déficience des systèmes de séparation solide/liquide). Dans tous les cas, l'augmentation du temps de séjour des solides ne permet pas d'obtenir une réduction de la production de boues supérieure à 50 % par rapport aux procédés classiques.

L'amélioration de ces procédés biologiques doit donc logiquement être obtenue en provoquant une désorganisation de la structure de la boue, tant au niveau primaire du floc qu'au niveau de la membrane cellulaire. La désintégration de la boue peut être obtenue par l'application d'un traitement pouvant être d'origine mécanique, chimique, thermique ou oxydant, placé à différents niveaux de l'usine de traitement (filière eau ou filière boue) (Figure 3). La boue ainsi traitée peut ensuite être renvoyée dans le réacteur biologique pour permettre la biodégradation. De la même façon le traitement

<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>**Figure 2 :** Comparaison d'un bioréacteur à membrane et d'un dispositif traditionnel à boues activées</figcaption></figure>
peut aussi être couplé à un Bioréacteur à membranes [Canales 1991] (figure 4). Cependant il faut noter que les fractions réputées non biodégradables (FNB) sont fortement influencées par le processus « d'induction de la létalité et de la lyse ». Ainsi, si plusieurs modes de traitement de nature physico-chimique ou mécanique, éventuellement couplés, peuvent être proposés, la pertinence du choix repose, pour une boue donnée, sur l'assimilabilité des substrats produits. Ces traitements peuvent également être envisagés pour modifier les caractéristiques globales des boues en vue d'améliorer leur valorisation ou leur conditionnement.

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>Figure 3 : Insertion des traitements combinés dans la filière de traitement des eaux pour réduire la production des boues</figcaption></figure>

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Figure 4 : Schéma de principe du bioréacteur à membrane couplé à une unité de traitement lytique de la biomasse.</figcaption></figure>

## DIFFÉRENTES TECHNIQUES DE DÉSINTÉGRATION

Cinq familles de techniques peuvent être identifiées :

- les méthodes mécaniques [Muller et al., 1998 ; Thiem et al., 1997] regroupent les différents types de broyeurs, d'homogénéiseurs haute pression et les ultrasons ;

- les méthodes thermiques [Weemaes et Verstraete, 1998 ; Woodard et Wukasch, 1994] sont basées sur l'utilisation de traitements à température élevée et éventuellement à pression élevée pouvant aller jusqu'au stade de l'oxydation supercritique [Luck et al., 1995] ;

- les méthodes chimiques et thermochimiques [Rocher et al., 1999 ; Lin et al., 1997 ; Camacho 2001] sont souvent basées sur des phénomènes d'hydrolyse induite par variation de pH. La combinaison des effets de pH et de température est utilisée pour obtenir des techniques de désintégration efficaces à pression ambiante et à température inférieure à 100°C ;

- les méthodes d'hydrolyse biologique [Sakai et al., 2000] reposent sur l'utilisation de souches de micro-organismes spécifiques développant des fortes capacités d'hydrolyse ;

- les méthodes de traitement par des oxydants puissants [ozone : Kamiya et Hirotusi, 1998 ; chlore : Chen et al., 2001] peuvent permettre d'atteindre des taux de désintégration importants à pression et température ambiantes.

## EFFET DE TRAITEMENTS COMBINÉS SUR LA RÉDUCTION DE PRODUCTION DE BOUE

### Association traitement mécanique et traitement biologique

L'analyse des techniques de désintégration mécanique permet d'envisager le couplage avec un procédé biologique en vue de la réduction de la production de boue. Le tableau I résume les conditions d'application et les résultats obtenus par divers auteurs qui ont évalué des systèmes combinant un traitement mécanique et un procédé biologique. Malgré l'intérêt potentiel du couplage entre traitement mécanique et traitement biologique, les réalisations industrielles sont inexistantes. La forte consommation d'énergie [Weemaes et Verstraete, 1998] et les problèmes d'usure et de dégradation du matériel de traitement résultant des phénomènes d'abrasion [Muller, 2001] limitent fortement l'application de ces systèmes de réduction de la production de boue. De plus, la désintégration mécanique défavorise le traitement de déshydratation des boues (demande en polymère 3 fois plus importante que la dose classiquement utilisée, soit 30 g/kg au lieu de 10 g/kg MES [selon Kopp et al., 1997 cités par Camacho, 2001]).
<table><caption>Tableau 1 : Exemples d'essais de couplage entre traitement mécanique et traitement biologique</caption><thead><tr><td>Echelle</td><td>Qualité de l'alimentation</td><td>Type de traitement mécanique</td><td>Conditions d'application</td><td>Résultats</td><td>Auteurs</td></tr></thead><tbody><tr><td>Pilote de laboratoire (âge de boue &lt; 8))</td><td>Synthétique DCO 260 mg/l</td><td>Système Kady (broyage + cisaillement non refroidi)</td><td>Continue (25 à 30 min de temps de séjour)</td><td>Pas de production de boue, amélioration IB, baisse du rendement d'élimination de DCO</td><td>Springer et al., 1996</td></tr><tr><td>Pilote semi-industriel (5100 m³)</td><td>ERU décantée</td><td>Système Kady (broyage + cisaillement non refroidi)</td><td>3 à 5 % des boues du système</td><td>Réduction de la production des boues de 35 %, réduction des bactéries filamenteuses</td><td>Wadehra et al., 1999</td></tr><tr><td>Digesteur Anaérobie pilote (150 L)</td><td>Boues urbaines mixtes</td><td>Ultrasons (64 secondes)</td><td>Prétraitement</td><td>Réduction des solides volatils de 50,3 % contre 45,8 % sans prétraitement</td><td>Thierm et al. 1997</td></tr><tr><td>Digesteur Anaérobie pilote (20 L)</td><td>Boues secondaires urbaines</td><td>Hautes pressions (400 bars)</td><td>Prétraitement</td><td>Réduction des solides volatils de 60 % pour des temps de digestion de 5 jours</td><td>Muller et Pelletier, 1998</td></tr></tbody></table>

IB : indice de boue

<table><caption>Tableau 2 : Exemples d'essais de couplage entre traitements chimique ou thermochimique et traitement biologique</caption><thead><tr><td>Echelle</td><td>Qualité de l'alimentation</td><td>Type de traitement</td><td>Conditions d'application</td><td>Résultats</td><td>Auteurs</td></tr></thead><tbody><tr><td>Bioréacteur à membranes de laboratoire (Pseudonomas fluorescens)</td><td>Synthétique soluble</td><td>Thermolyse</td><td>90°C taux de recyclage 0,1 h<sup>-1</sup></td><td>Réduction de la production des boues de 59 %, rendement d'élimination de la DCO maintenu</td><td>Canales, 1991</td></tr><tr><td>Evaluation théorique basée sur des essais batch</td><td>—</td><td>Thermolyse alcaline</td><td>pH 10, 60°C temps de contact : 20 min</td><td>Réduction de la production des boues de 38 à 43 % basé sur la baisse du rendement de conversion</td><td>Rocher et al., 1999</td></tr><tr><td>Bioréacteur à membranes de laboratoire</td><td>Synthétique soluble</td><td>Chloration</td><td>0,066 g Cl<sub>2</sub>/g MES</td><td>Réduction de la production des boues 67 % déstructuration de la boue</td><td>Chen et al., 2001</td></tr><tr><td>Digesteur anaérobie de laboratoire</td><td>Boues industrielles</td><td>Thermolyse alcaline</td><td>pH 12, 140°C, 30 min</td><td>Pas de réduction de la production des boues, présence de composés toxiques</td><td>Delgenès et al. 2000, Penaud et al., 2000</td></tr><tr><td>Digesteur anaérobie Pilote et industriel</td><td>Boues activées urbaines</td><td>Thermolyse (procédé Cambi)</td><td>180°C</td><td>Elimination de 60 % des solides volatils contre 45 % sans prétraitement. Hygiénisation des boues</td><td>Panter et Weisz (1998)</td></tr></tbody></table>

## Association de traitements thermique, chimique ou thermochimique et d'un traitement biologique

Le tableau 2 présente les résultats d'essais de couplage entre un traitement biologique et une étape de réduction de la production basée sur l'utilisation de techniques chimiques, thermiques ou thermochimiques.

Les résultats obtenus par Canales [1991] dans le cas d'une culture pure montrent qu'une étape de thermolyse à 90°C et à pression atmosphérique entraîne une diminution du rendement de croissance de près de 60 % (par augmentation des besoins en énergie de maintenance) avec un maintien des capacités épuratoires du système. L'utilisation d'une technique de lyse thermochimique sur culture pure et boues activées a permis à Rocher et al. [1999] d'obtenir également une forte diminution du rendement de croissance et a montré l'impact de l'intensité du traitement sur la biodégradabilité des fractions obtenues (figure 5). Par ailleurs un effet différé potentiel des traitements a été mis en évidence. L'efficacité de ces procédés dans le cas d'installations traitant des eaux résiduaires urbaines n'a pas été démontrée à l'heure actuelle.

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>Figure 5 : Libération de DCO soluble par A. eutrophus après 45 minutes d'exposition à des traitements thermiques (100°) et chimiques (1<pH<14) combinés.</figcaption></figure>

La référence 100 % correspond à un traitement ultrasons (240 W, 20 kHz, 800 s) d'après Rocher et al. 1999
Les résultats obtenus par Chen et al. [2001] montrent que le traitement des boues par un oxydant puissant tel que le chlore permet une réduction du rendement de croissance de plus de 60 %. Cependant, l'utilisation du chlore en présence de matières organiques en fortes concentrations conduit à une éventuelle formation de composés organochlorés comme les THM (trihalométhanes) dont l'impact négatif sur l'environnement et la santé est clairement établi.

De même, lors de l'étude d'un prétraitement thermochimique en amont de la digestion anaérobie d'une boue industrielle, Delgenès et al. [2000] ont mis en évidence la formation de composés inhibiteurs. En effet, les taux de solubilisation de la DCO maximaux ont été obtenus pour des prétraitements à pH=12, 140°C, 30 min. Après ce prétraitement, la DCO soluble représentait 71 % de la DCO totale contre 20 % pour la boue non traitée. Malgré ces forts taux de solubilisation, ce prétraitement thermochimique n'a pas permis d'améliorer la biodégradabilité par voie anaérobie de la boue qui est restée proche de 40 %. Des composés inhibiteurs formés lors du prétraitement thermochimique étaient probablement produits par la réaction de Maillard, favorisée par un pH et une température élevée [Penaud et al., 2000a]. La solubilisation des composés en suspension n'est donc pas le critère à retenir dans la mise au point de prétraitements thermochimiques.

Appliqués en tant que prétraitement de la digestion anaérobie des boues, un traitement à une température de 180°C entraîne une réduction de la quantité des boues résiduaires mais également leur hygiénisation et une meilleure déshydratabilité [Panter et Weisz, 1998]. Ce procédé a été industrialisé en Norvège, au Danemark et en Ecosse [Weiz et al. 2000].

## Association d'un traitement d'ozonation et d'un traitement biologique

Différentes études ont été menées sur l'effet de l'ozone sur la production de boues. Le tableau 3 résume les conditions et les résultats de ces tra vaux.

Les doses d'ozone, les conditions d'application et la qualité de l'alimentation en eaux résiduaires different fortement pour les résultats présentés dans le tableau 3. La comparaison de l'efficacité des différents systèmes est donc difficile. Nous retiendrons cependant que, dans le cas d'une alimentation en ERU sans décantation primaire, Sakai et al. [1997] indiquent qu'ils obtiennent une production de boue en excès nulle pour une dose d'ozone de 0,034 g O₃·g MES⁻¹ appliquée sur quatre fois l'équivalent de la production de boue du procédé classique. Il est également intéressant de retenir que Yasui et al. [1996] ont démontré l'efficacité du procédé mixte dans le cas de différents effluents urbains et industriels.

Les études dédiées à l'ozonation de boues en prétraitement de leur digestion anaérobie sont plus récentes que celles concernant le couplage ozonation / boues activées.

Les doses d'ozone appliquées en cotraitement de la digestion anaérobie sont, selon les auteurs, supérieures ou de l'ordre de grandeur des doses utilisées sur les boues activées. Le couplage ozonation avec la digestion anaérobie conduit à la réduction de la production des boues même si les performances reportées sont très variables. De plus des essais de longue durée (6 mois [Battimelli et al., 2002] ou 12 mois [Goel et al. 2002b]) montrent l'absence de génération de composés toxiques pendant le traitement à l'ozone. L'élimination poussée des boues peut entraîner une augmentation de la DCO et de la teneur en azote et phosphore de l'effluent de sortie qui pourra nécessiter un traitement par recyclage sur la ligne eau [Goel et al. 2002a]. Finalement l'ozonation peut entraîner des modifications des propriétés physiques des boues : désodorisation, décoloration, meilleure décantabilité mais résistance spécifique de filtration plus élevée, atténuation du caractère non Newtonien et diminution de la viscosité apparente [Battimelli et al., 2002].

## Cas du couplage ozonation-boues activées

Le principe du couplage ozonation-boues activées est décrit sur la figure 6 où sont également représentés les différents effets qui peuvent survenir lors d'un tel couplage.

<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>**Figure 6 :** Principe de fonctionnement du procédé de couplage système à boues-système d'ozonation</figcaption></figure>

D'après la figure 7, dès le début de l'ozonation, la production cumulée de boues diminue significativement mais demeure linéaire [Déléris et al. 2001]. Le taux de réduction de la production de boue atteint 65 %. La figure 8 montre que pour une dose d'ozone appliquée plus élevée, une production de boue nulle voire un lessivage du réacteur peut être atteint. Ce point de fonctionnement extrême peut néanmoins être facilement maîtrisé en diminuant la dose injectée. L'ozone présente un potentiel certain pour réduire la production de boues en association avec le traitement biologique. Les doses d'ozone appliquées sont alors de quelques pourcents par rapport à la DCO à dégrader. L'ozone n'intervient donc que pour déstabiliser chimiquement les molécules réfractaires à la dégradation biologique.
<table><caption>Tableau 3 : Résumé des résultats publiés sur l'effet de l'ozone sur la production de boue</caption><thead><tr><th rowspan="2">Auteurs</th><th colspan="3">Caractéristiques de l'ozonation</th><th colspan="3">Résultats</th></tr><tr><th>Echelle</th><th>Alimentation</th><th>Géométrie</th><th>Dose</th><th>Application</th><th>Production de boue</th></tr></thead><tbody><tr><td>Yasui et<br>Shibata (1994)</td><td>Bassin d'aération<br>1, MES<br>4000 mg.l<sup>-1</sup></td><td>1kg DBO.m<sup>-3</sup> j<sup>-1</sup><br>substrat synthétique<br>peptone + extrait de<br>levure</td><td>Colonne de 0,8 l<br>précédée d'un<br>réacteur tampon</td><td>0,05 à 0,2 g<br>O<sub>3</sub>.g<sup>-1</sup> SS</td><td>Récupération et<br>recirculation en<br>continu, ozonation<br>discontinue</td><td>À 0,04 g O<sub>3</sub>.g<sup>-1</sup><br>MES production de<br>boue nulle taux de<br>recirculation 0,3 j<sup>-1</sup></td></tr><tr><td>Yasui et al.<br>(1996)</td><td>Bassin d'aération<br>de 1900 m<sup>3</sup><br>MES<br>4000 mg.l<sup>-1</sup></td><td>550 kg DBO.j<sup>-1</sup><br>DBO 2,2 g.l<sup>-1</sup><br>SS 150 mg.l<sup>-1</sup><br>industrie pharmaceutique</td><td>Contacteur à<br>contre courant<br>Ø = 100 cm<br>H= 5400 cm</td><td>O<sub>3</sub><br>consommé/<br>boues à<br>traiter = 5 %</td><td>3 x production de<br>boue normale<br>traitée par<br>ozonation<br>transfert = 90 %</td><td>Production de boue<br>nulle sur une période<br>de 10 mois<br>(normalement 50 t)</td></tr><tr><td>Sakai et al.<br>(1997)</td><td>Bassin d'aération de<br>800 m<sup>3</sup>,<br>MES<br>3000 mg.l<sup>-1</sup></td><td>ERU<br>non décantée<br>primaire</td><td>Contacteur<br>4,5 m<sup>3</sup></td><td>0,034 kg<br>O<sub>3</sub>/kg<br>MES traitée</td><td>4 x production de<br>boue normale<br>traitée par<br>ozonation<br>transfert = 90 %</td><td>Production de boue<br>nulle</td></tr><tr><td>Huysmans et<br>al.<br>(2001)</td><td>SBR, 45 l</td><td>ERU</td><td>Colonne<br>à bulles 20 l</td><td>0,019 g<br>O<sub>3</sub>/g MES</td><td>2 /3 réacteur<br>biologique<br>2 fois par semaine</td><td>50 % de réduction de la<br>production des boues</td></tr><tr><td>Déléris et al.<br>2000 et 2001</td><td>Boues activées (26l)</td><td>ERU décantée primaire</td><td>Contacteur agité</td><td>0,01 kg O<sub>3</sub>/kg<br>MES traitées</td><td>Recirculation</td><td>100 % de réduction de<br>la production des<br>boues (sur boues<br>secondaires)</td></tr><tr><td>Scheminski et<br>al. (2000)</td><td>Digestion anaérobie<br>continue (10 l)</td><td>Boues urbaines</td><td>Colonne à bulles</td><td>0,3 g O<sub>3</sub>/g<br>matière<br>organique</td><td>Prétraitement</td><td>Élimination de 70 % de<br>la DCO</td></tr><tr><td>Weemaes et<br>al. (2000)</td><td>Digestion anaérobie<br>discontinue (1 l)</td><td>Boues mixtes urbaines</td><td>Colonne à bulles<br>(15 l)</td><td>0,1 g O<sub>3</sub>/g<br>DCO</td><td>Prétraitement</td><td>Élimination de matière<br>organique 68 % (36 %<br>sans prétraitement)</td></tr><tr><td>Penaud (1998)</td><td>Digestion anaérobie<br>continue (11)</td><td>Boue industrielle</td><td>Colonne à bulles</td><td>0,045 g O<sub>3</sub>/g<br>DCO</td><td>Prétraitement</td><td>Élimination des<br>matières en suspension<br>53 % (42 % sans<br>prétraitement)</td></tr><tr><td>Goel et al.<br>(2002a)</td><td>Digesteur<br>anaérobie continu<br>alimenté (2 l)</td><td>Boues activées de SBR</td><td></td><td>0,05 g O<sub>3</sub>/g<br>solides<br>totaux</td><td>Prétraitement</td><td>Élimination des solides<br>volatils en suspension<br>59 % (31 % sans<br>prétraitement)</td></tr><tr><td>Goel et al.<br>(2002b)</td><td>Digestion anaérobie<br>continue</td><td>Boues activées de SBR</td><td></td><td>0,02 à 0,06 g<br>O<sub>3</sub>/g solides<br>totaux</td><td>Prétraitement et<br>post-traitement<br>(boucle fermée pas<br>de purge sur les<br>boues)</td><td>Dégradation des<br>solides volatils de 80 %<br>environ.</td></tr><tr><td>Battimelli et<br>al. (2002)</td><td>Digestion anaérobie<br>continue (4l)</td><td>Boues urbaines<br>secondaires</td><td>Colonne à bulles</td><td>0,16 g O<sub>3</sub>/g<br>solides en<br>suspension</td><td>Post-traitement et<br>recirculation<br>partielle dans le<br>digesteur</td><td>Meilleures<br>performances pour<br>25 % de recyclage<br>Élimination des<br>matières en suspension<br>54 % (38 % sans<br>prétraitement)</td></tr></tbody></table>

## Augmentation de la DCO ou du COT de l'effluent

Une augmentation de la DCO totale de sortie du système de traitement de 10 à 50 % a été observée en particulier dans le cas de forts taux de réduction de la production de boue [Déléris et al. 2001].

## Augmentation de la concentration en phosphore et en azote de l'effluent, évolution de la demande en oxygène

Dans les procédés conventionnels non dédiés spécifiquement à l'élimination de N et P, ces nutriments sont incorporés dans les micro-organismes formés et sont purgés avec la boue excédentaire. Dans le cas d'un procédé biologique avec réduction de la production de boue (70 % voire 100 %), l'élimination de l'azote par nitrification et dénitrification est maintenue [Déléris et al. 2001, Sakai et al. (1997) et Huysmans et al. (2001)]. Cependant, l'apport d'oxygène
<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>**Figure 7 :** Evolution de la production cumulée de boues activées en fonction de la masse cumulée de DCO dégradée pour des conditions sans ozonation puis avec ozonation</figcaption></figure>

<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>**Figure 8 :** Evolution de la production cumulée de boue au cours du temps pour une dose d'ozone appliquée conduisant à une production de boues nulle</figcaption></figure>

doit être augmenté pour pallier à la quantité d'azote libérée par la boue oxydée.

## Évolution de la décantabilité des boues et de la concentration en micro-organismes filamenteux

Les caractéristiques de décantation sont très fortement améliorées du fait du traitement associé par l'ozone. Les indices de boues atteignent des valeurs de 50 ml/g de manière régulière. De plus, l'amélioration de la décantation est maintenue même lorsque le système est soumis à des variations de charge ou à des apports d'effluents de type agroalimentaire pour lesquels on obtient en général de très mauvaises aptitudes à décanter.

## Tableau 4 : Différentes technologies étudiées dans les laboratoires de l'INSA

(Laboratoire de biotechnologie et bioprocédés et Laboratoire d'ingénierie des procédés de l'environnement)

et de l'INRA (Laboratoire de biotechnologie de l'environnement)

<table><thead><tr><th>traitements</th><th>thermique</th><th>oxydation</th><th>divers</th><th>thermique</th><th>oxydation</th><th>divers</th></tr></thead><tbody><tr><td>INSA-LBB</td><td>BRM-T</td><td></td><td>T-Ch, Ch,<br>US, BRM</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td rowspan="2">INSA-LIPE</td><td></td><td>BA-O<sub>3</sub><br>BA- H<sub>2</sub>O<sub>2</sub></td><td>BRM</td><td>DA-T</td><td>DA-O<sub>3</sub><br>DA-H<sub>2</sub>O<sub>2</sub></td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>INRA-LBE</td><td></td><td></td><td></td><td>DA-T</td><td>DA-O<sub>3</sub><br>DA-US<br>DA-TCh<br>DA-TH<sub>2</sub>O<sub>2</sub></td><td></td></tr></tbody></table>

BRM: Bioréacteurs à membrane; T: Stress température;

Ch: Stress chimique (alcalin ou acide);

BA: Boues activées: O<sub>3</sub>: Ozone;

DA: Digestion anaérobie; US: Ultrasons

<figure><img src="image_9.png" /></figure>

<figure><img src="image_10.png" /><figcaption>**Figure 9 :** Photographies au microscope optique des flocs de boues activées provenant d'une ligne de référence (a) et d'une ligne avec ozonation (b). Les deux lignes sont alimentées avec une eau résiduaire conduisant théoriquement à la croissance d'organismes filamenteux.</figcaption></figure>

## Évolution de rapport MVS/MES ou devenir des matières inorganiques particulières

Le rapport MVS/MES diminue légèrement mais se stabilise. La matière minérale est donc solubilisée au fur et à mesure du traitement.

## Élimination de la flore filamenteuse

L'intérêt d'un traitement par ozonation pour l'élimination des micro-organismes filamenteux est illustré sur la figure 9.

## CONCLUSION

La bibliographie fait état d'un grand nombre de techniques, qui couplées à des procédés de traitement biologiques, aérobies ou anaérobies, permettent de réduire significativement la production de boues. Différentes stratégies ont été optimisées ou sont en cours d'étude dans les laboratoires de l'INRA Narbonne et de l'INSA Toulouse (tableau 4). À côté
des performances de réduction des boues, les effets des
traitements combinés sur les performances globales des
filières sont pris en compte. Les effets positifs sont nombreux
(décantabilité et déshydratabilité améliorées pour certaines
techniques, élimination de la flore filamenteuse...) et les
diminutions des rendements épuratoires ne sont pas réd-
hibitoires. Combinées au traitement de stabilisation des
boues, certaines de ces techniques permettent en outre
l'hygiénisation des boues (élimination de la flore pathogène).
Nul ne doute que ces techniques sont destinées à un ave-
nir industriel prometteur.

## Etienne Paul*

* INSA, Département génie des procédés industriels, Laboratoire d'ingénierie des procédés de l'environnement, 135 Av. de Rangueil 31077 Toulouse cedex 04 - paul@insa-tlse.fr

## Hélène Carrère**

** INRA, Laboratoire de biotechnologie de l'environnement, Avenue des étangs, 11 100 Narbonne - carrere@ensam.inra.fr

## Christine Lafforgue***

*** INSA, Département génie biochimique et alimentaire, Laboratoire de biotechnologie et bioprocédés, 135 Av. de Rangueil, 31077 Toulouse cedex 04 - Christine.Lafforgue@insa-tlse.fr

## Références

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