Valorisation énergétique des boues de station d’épuration Présenté par: BLASZKOW Frédéric FILALI Rym FOURNIER Amaury GU Siding SADAKA Karine 06/06/2008

Sommaire Introduction Technologies de valorisation énergétique des boues de STEP Méthanisation Co-incinération en cimenterie Co-incinération en centrale thermique Pyrolyse Gazéification Conclusion

Introduction Valorisation énergétique Nécessité d’éliminer et de détruire les boues Améliorer le bilan environnemental Produire une énergie (chaleur, électricité) Caractéristiques des boues de STEP Teneur en matières organiques et minérales Siccité PCI

Source : Gay, 2005, Techniques de l’ingénieur Méthanisation Source : Gay, 2005, Techniques de l’ingénieur Processus Digestion anaérobie 4 étapes Hydrolyse Acidogénèse Acétogénèse Méthanogénèse

Méthanisation Deux sous-produits Digestat Biogaz Boues méthanisées Teneur en matière organique Origine

Méthanisation Valorisation énergétique du biogaz Chaudière Co-génération Tri-génération Production de chaleur Production d’électricité

Méthanisation Avantages Inconvénients Valorisation du méthane contribue à la diminution des consommations en énergie fossile Valorisation énergétique du biogaz contribue à la réduction de l’effet de serre et des odeurs (CO2 effet de serre 21 fois moins grand que CH4) Faible consommation énergétique, consommation de la chaleur produite pour le chauffage des digesteurs Inconvénients Coûts d’investissement très élevés pour une petite structure Émissions de H2S, gaz à effet de serre

Co-incinération en cimenterie Processus Introduction des boues Carrière (Calcaire + Argile) Pré homogénéisation Concasseur Broyeur Stockage clinker Silos de stockage Four rotatif Broyeur Refroidisseur Introduction des boues source : http://www.fp2e.org/fic_bdd/pdf_fr_fichier/11514970170_Livret_Boues_version_DEF.pdf

Co-incinération en cimenterie Valorisation énergétique et matière Forte siccité (>90%) Fort PCI (>2000 kW/t) Impact des boues sur le ciment: Présence de chlore (au-delà de 0,02% peut perturber le four) Diminution de la résistance mécanique induite par la présence de phosphore au-delà de 0,5% Les métaux lourds sont adsorbés

Co-incinération en cimenterie Avantages Pas de période préférentielle d’élimination (contrairement aux périodes d’épandage agricole relativement restreintes) Valorisation énergétique et matière Pas de résidu final: les métaux lourds sont adsorbés Inconvénients Proximité de la cimenterie Accord du cimentier Séchage des boues ex situ Présence de nombreux déchets concurrents (déchets ménagers, pneus usagés)

Co-incinération en centrale thermique Les centrales thermiques à charbon produisent de l’électricité et de la chaleur Valorisation énergétique des boues

Co-incinération en centrale thermique Processus Température : 560°C, pression: 165 bar

Co-incinération en centrale thermique Avantages Réduction des gaz à effet de serre par substitution du charbon par les boues Utilisation d’une grande quantité de boues 2,5 fois plus que le charbon Inconvénients Séchage des boues - séchage partiel, jusqu’à environ 60-80% MS - séchage complet, jusqu’à environ 80-90% MS Les boues libèrent environ 7 fois plus de cendres volantes que le charbon SOx et NOx Traités par un lavage humide des gaz de combustion Risque d’émission de mercure

Schéma de principe de la pyrolyse (source : Techniques de l’Ingénieur) Processus Dissociation thermique de la matière organique et de la matière minérale Absence d’O2 (<2 %) Température de 400 à 800°C Temps de séjour de 30 à 40 minutes La fraction organique se décompose en gaz, huiles et résidus solides carbonés Schéma de principe de la pyrolyse (source : Techniques de l’Ingénieur)

Valorisation des produits Les gaz Contiennent de nombreux composés volatils Valorisés dans une chaudière pour le séchage des boues Valorisés directement dans le réacteur. Fourniture de l’énergie nécessaire à la dissociation thermique L’huile Produite par condensation des gaz et raffinée par extraction Valorisée dans une turbine à combustion ou un moteur diesel Permet d’envisager l’effacement des pointes de consommation électrique Les résidus carbonés (char) Contiennent entre 10 et 40% de carbone Valorisés dans une chaudière pour le séchage des boues Possibilité d’un étage de gazéification pour convertir le charbon en gaz

Exemple de rendement par le procédé EnersludgeTM Produits Boues fraiches Boues digérées Rendement en masse (%) Rendement énergétique (%) Huile 30 60 20 50 Résidu carboné 32 41 Gaz incondensables 10 5 6 Eau 3 D’après Gay, 2005 (Techniques de l’Ingénieur) Procédé sous vide et basse température (450°C) Cela favorise la production d’huile

Avantages/Inconvénients Consommation de l'énergie fossile diminuée par valorisation des gaz et des huiles Réduction de plus de 50% de la consommation d'énergie par récupération de la chaleur Empêche l’oxydation de certaines molécules (destruction de 87% des dioxines, 90% furanes, 75% PCB) Supporte des variations importantes de quantités de boues à traiter, le réacteur pouvant être utilisé à 50 % de sa capacité (grande souplesse de fonctionnement) Inconvénients Implantation de l'installation à proximité d'un utilisateur d'énergie fossile pour la valorisation des gaz de thermolyse N'est pas adaptée aux grandes STEP Toxicité des huiles de pyrolyse non négligeable (composants polycycliques) Nuisances olfactives avec les produits huileux de pyrolyse

Gazéification Processus Réduction chimique de la fraction organique des boues Température d’environ 900-1200°C en oxygène raréfié (environ 20% est nécessaire à la combustion des boues) Production d’un gaz combustible CH4 ou d’un gaz de synthèse riche en H2 et en CO La fraction minérale est, quant à elle, transformée en cendres Le gaz combustible produit peut être valorisé énergétiquement en chaleur ou en électricité

Gazéification Production du gaz : Réactions à haute température (850-900°C) et basse pression (~ 1 bar) C + H2O  CO + H2 (1) C + CO  2CO (2) Réaction à basse température (700°C) et haute pression (10-20 bars) C + H2  CH4 (3)

Gazéification Bilan énergétique Avantages / Inconvénients Ces réactions endothermiques, nécessitent l’apport d’énergie en brûlant une faible partie de la charge, soit à l’air, soit à l’oxygène. En fonction de la quantité d’azote introduite, on génère : gaz pauvres (< 8MJ/Nm3) ou semi-riches (8-18MJ/ Nm3) à comparer au gaz naturel (35 MJ/Nm3) Avantages / Inconvénients Autonome énergétiquement Réduction des boues de STEP tout en valorisant les gaz produits en électricité et en chaleur Emission limitée de gaz à effet de serre Teneurs élevées en azote des boues forment de l’ammoniaque et du cyanure d'hydrogène, précurseurs des NOx Concentration des métaux lourds dans les cendres Emission de H2S et de mercure

Gazéification Application : Procédé « Noell » à lit entraîné En Allemagne, Freiberg/saches plant : 1,5 t/h boues de station d’épuration, puissance du gazéifieur 7-10 MWth La composition du gaz produit pour la biomasse (17-19 MJ/kg, à base sèche : siccité > 80%) : CO2 = 14 %, CO = 52 %, H2 = 28 %, CH4 < 0,1 %, N2 = 6 %, pour une capacité calorifique du gaz de 9,3 MJ/kg. Source : [7] Antonini, G., Hazi, M., 2004 Etude ADEME / PROCEDIS

Conclusion Grande variété de techniques Avantages communs: Réduction de l’utilisation d’énergie fossile Fournir un débouché pour les boues de STEP Production d’énergie Choix de ces filières au cas par cas: En fonction de la qualité des boues De la taille de la station d’épuration Des aspects socio-économiques, environnementaux, techniques et réglementaires

Merci de votre attention

Références bibilographiques [1] http://www.iewonline.be/IMG/pdf/CCE_VP_0710_position_coincineration.pdf [2] Gay, J., 2005. Lutte contre la pollution des eaux-Valorisation énergétique des boues de stations d’épuration. Techniques de l’Ingénieur, G1455 [3] http://www.fp2e.org/fic_bdd/pdf_fr_fichier/11514970170_Livret_Boues_version_DEF.pdf [4] Bridle, T., Molinari, L., Skrypsi-Mantele, S., Ye, P., and Mills, J., 2000. Start-up of the Subiaco Enersludge™ plant. Water Science and Technology, 41(8) : 31-36 [5] Sanchez, M.E., Cuestos, M.J., Martinez, O., Moran, A., 2007. Pilot scale thermolysis of municipal solid waste. Combustibility of the process and gas cleaning treatment of the combustion gases. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 78 : 125-132 [6] Kim, Y., Parker, W., 2008. A technical and economic evaluation of the pyrolysis of sewage sludge for the production of bio-oil. Bioresource Technology, 99 : 1409-1416 [7] Antonini, G., Hazi, M., 2004, PYROLYSE – GAZEIFICATION DE DECHETS SOLIDES Partie 1 : Etat de l’art des procédés existants. Faisabilité de traitement d’un déchet par Pyrolyse ou Gazéification, Etude ADEME / PROCEDIS Version V.0. Juin 2004 [8] Neveux, N., Ricklin, P., 2008, Programme INTERREG III-A WALLONIE- LORRAINE – LUXEMBOURG Projet VALORBOUES. Phase 2 PRESENTATION DES TECHNOLOGIES DISPONIBLES POUR LE TRAITEMENT DES BOUES D’EPURATION. version du 11 avril 2008 [9] Gourdon, R., 2001, Traitement biologique des déchets. Techniques de l'ingénieur, G2060, pp. 1-14. Sites internet complémentaires : http://www.science-decision.fr/cgi-bin/topic.php?topic=BUR http://www.cieau.com/toutpubl/sommaire/texte/8/contenu/851.htm http://www.montpellier.inra.fr/narbonne/francais/objetsthematiques/ot-da/ot-da-12-boues.html http://www.methanisation.info/valorisation.html http://www.lebiogaz.info/site/042.html http://www.ademe.fr/Midi-Pyrenees/a_2_18.html