Phosphore et Environnement - ifip.asso.fr

Phosphoreet Environnement

La problèmatique ■

Les sources ■

Les solutions ■

pour les effluents ■

de porcheries ■

INTRODUCTION

En participant à la photosynthèse, l’azote et le phosphore sous forme minéralesont indispensables au développement de la vie dans les eaux. Cependant, lors-qu’ils sont présents en excès, ces deux éléments provoquent des déséquilibresbiologiques qui peuvent se traduire par une prolifération anarchique d’algues.On parle alors d’eutrophisation.

Depuis une vingtaine d’années, la lutte contre l’eutrophisation s’est concrétiséepar une réduction des rejets ponctuels de phosphore, principalement d’originedomestique et industrielle. Si les effets de cette politique commencent à se fairesentir, il n’en reste pas moins qu’une des priorités dans un proche avenir sera delimiter les sources diffuses de phosphore dans les eaux. En effet, des apportsrépétés et en excès de phosphore sur les cultures ont abouti à l’accumulation decet élément dans les sols. Les transferts de phosphore du sol vers les eaux s’entrouvent accrus et ce phénomène risque de s’accélérer avec la saturation pro-gressive des sols en phosphore.

Ce document a pour objectif de présenter la problématique « Phosphore » tellequ’elle existe en France en l’an 2000 et de situer la filière porcine dans cette pro-blématique. L’approche choisie englobe les différents acteurs de l’environne-ment et de la reconquête de la qualité des eaux, du simple citoyen à l’industrielen passant par l’agriculteur.

• Avant de quantifier les flux de phosphore émis dans l’environnement et deproposer des solutions pour les réduire, il est important de connaître et decomprendre l’impact de cet élément sur le milieu naturel. Dans un premierchapitre, on s’attache donc à expliquer pourquoi, comment et dans quellemesure le phosphore est lié au phénomène d’eutrophisation. Puis, la situationfrançaise en ce qui concerne la pollution des eaux par les proliférations végé-tales et le phosphore est ensuite présentée brièvement.

• Dans un deuxième chapitre, les quantités de phosphore mises en jeu par lesdifférentes activités humaines sont recensées et estimées. Les résultats sontdonnés pour chaque région française. Après avoir posé plusieurs hypothèses,une répartition de l’origine du phosphore dans les eaux par secteur d’activité(domestique, industriel et agricole) est proposée. La part relative des effluentsde porcherie est particulièrement examinée.

• La suite du document est consacrée aux moyens de réduction possibles desflux de phosphore vers les eaux. Dans le domaine de l’assainissement urbain,la lutte contre l’eutrophisation menée depuis plus de 10 ans a conduit à desavancées technologiques en terme de traitement du phosphore. Ces techno-logies, qui sont présentées et détaillées dans un troisième chapitre, serontsans doute celles appliquées demain aux effluents d’élevage. Le quatrièmechapitre se consacre exclusivement aux moyens actuels de gestion duphosphore des effluents de porcherie. Enfin, le cinquième chapitre proposede faire le point sur les co-produits issus du traitement des effluents : lesboues phosphatées.

SOMMAIRE

I. Phosphore et environnement 5

1. L'ÉLÉMENT PHOSPHORE ET SES DIFFÉRENTES FORMES 52. L'EUTROPHISATION 52.1 UN PROCESSUS NATUREL AMPLIFIE 52.2 CONSEQUENCES DE L’EUTROPHISATION 52.3 LE PHOSPHORE, RESPONSABLE DE L’EUTROPHISATION ? 62.4 COMMENT RESORBER L’EUTROPHISATION ET SES CONSEQUENCES ? 62.5 EUTROPHISATION : ETAT DES LIEUX EN FRANCE 6

2.5.1 Zones Sensibles et Zones Vulnérables 62.5.2 Prolifération végétale 62.5.3 Teneur en phosphore 6

3. LEGISLATION 73.1 ASSAINISSEMENT DES EAUX DOMESTIQUES 73.2 INSTALLATIONS CLASSEES POUR LA PROTECTION DE L’ENVIRONNEMENT 73.3 ELEVAGE PORCIN 73.4 LA REDEVANCE POLLUTION 84. CONCLUSION 8

II. Estimations des flux du phosphore 91. RECENSEMENT DES SOURCES EN P 92. APPORT DES ENGRAIS 92.1 SOURCE DES DONNEES 92.2 RESULTATS 93. EFFLUENTS D’ELEVAGE 93.1 METHODES DE CALCUL 93.2 DONNEES DE L’ESTIMATION 10

3.2.1 Références CORPEN 103.2.2 Autres données 10

3.3 RESULTATS 104. EFFLUENTS DOMESTIQUES 104.1 METHODES ET SOURCES DES DONNEES 104.2 RESULTATS 105. EFFLUENTS INDUSTRIELS 115.1 SOURCES DES DONNEES - METHODE 11

5.1.1 Données DRIRE 115.1.2 Données Agence de l’Eau 11

5.2 RESULTATS 116. SYNTHESE DES RESULTATS 116.1 ORIGINE DU PHOSPHORE APPORTE AU MILIEU NATUREL 116.2 PHOSPHORE MIS EN JEU PAR REGIONS 127. QUANTITES DE PHOSPHORE TRANSFEREES DANS LES EAUX 127.1 METHODES ET HYPOTHESES DE CALCUL 12

3

7.1.1 Sources diffuses 127.1.2 Sources ponctuelles 13

7.2 ORIGINE DES REJETS PHOSPHORES DANS LES EAUX NATURELLES 138. CONCLUSION 13

III. Le point sur l’élimination du phosphoredes eaux résiduaires 15

1. LES PROCEDES NON SPECIFIQUES AU PHOSPHORE 151.1 FILIERES CLASSIQUES DE TRAITEMENT DES EAUX USEES 151.2 PROCEDES MEMBRANAIRES 152. LES PROCEDES DE DEPHOSPHATATION PHYSICO CHIMIQUES 162.1 PRINCIPE 162.2 MISE EN OEUVRE DES PROCEDES 163. LES PROCEDES DE DEPHOSPHATATION BIOLOGIQUES 163.1 PRINCIPE 163.2 PARAMETRES OPERATOIRES 173.3 LES PROCEDES DEVELOPPES 184. CONCLUSION 18

IV. Quelles solutions pour le phosphore du lisier 191. REDUCTION DU PHOSPHORE EXCRETE : LA VOIE ALIMENTAIRE 192. CONCENTRATION DU PHOSPHORE CONTENU DANS LE LISIER DE PORC 192.1 ELIMINATION DU PHOSPHORE PAR SEPARATION DE PHASE 19

2.1.1 Les techniques de séparation de phase 192.1.2 Coagulation-Floculation 212.1.3 Retours d’expérience en traitement du lisier 21

2.2 DEPHOSPHATATION DU LISIER PAR LES TECHNIQUES MEMBRANAIRES 222.3 PROCEDE DE DEPHOSPHATATION BIOLOGIQUE DE LISIER 223. CONCLUSION 23

V. Gestion des boues phosphatées 251. DEFINITIONS ET CADRE REGLEMENTAIRE 251.1 LES BOUES, UN TERME QUI DESIGNE PLUSIEURS PRODUITS 251.2 LE CADRE REGLEMENTAIRE 25

1.2.1 Boues de station d’épuration 251.2.2 Boues d’ICPE 251.2.3 Boues issues du traitement des lisiers 25

2. TENEURS EN PHOSPHORE DES BOUES 252.1 CAS DES STATIONS D’EPURATION URBAINES 252.2 CAS DES EFFLUENTS DE PORCHERIE 263. VALORISATION EN AGRICULTURE 253.2 LES BESOINS DES CULTURES 263.2 BIODISPONIBILITÉ DU PHOSPHORE DES BOUES 263.3 SIMULATION 27

3.3.1 Objectifs 273.3.2 Hypothèses 273.3.3 Méthode de calcul 273.3.4 Résultats 28

4. CONCLUSION 28

Conclusions et perspectives 29

Références bibliographiques 31

4

I 5

1. L’ELEMENT PHOSPHOREET SES DIFFERENTES FORMES

Le phosphore est le onzième élément par ordre d’abondanceconstitutif de la croûte terrestre (0,12%). A l’état naturel il setrouve principalement dans les roches sédimentaires sousforme de phosphates de calcium (apatite).Dans les sols, le phosphore se trouve à 98% sous forme ortho-phosphates (PO43-) pouvant être ou non combinés à de lamatière organique (composés phytiniques, phospholipides,acides nucléiques,... ) et minérale (principalement Al, Fe etCa). Dans la solution du sol, l’élément P se trouve essentielle-ment sous forme d’ion orthophosphate (H2PO4-, HPO42-, PO43-

) qui dépend du pH de la solution.Le phosphore intervient au niveau du métabolisme des êtresvivants puisqu’il est constitutif des acides nucléiques et doncde l’ADN (support d’hérédité), de l’ARN (synthèse de nouvel-les cellules) et de l’ATP (processus énergétique).Le cycle simplifié du phosphore dans l’environnement estreprésenté sur la figure 1. Cet élément se trouve dans leseaux et dans le sol sous forme organique dissoute,organique particulaire, minérale dissoute et minéraleparticulaire.

2. L'EUTROPHISATION

2.1 UN PROCESSUS NATUREL AMPLIFIELes végétaux contenus dans les milieux aquatiques constituentla base de la chaîne alimentaire. Ils sont produits par photo-synthèse dont le bilan simplifiée est représenté par l’équation 1.Lorsque les nutriments minéraux (NO3-, HPO42-) sontprésents en excès dans le milieu, l’équilibre entrephotosynthèse et respiration hétérotrophe est rompu (la réac-tion 1 est déplacée vers la droite). Les végétaux aquatiques(C106H263O110N16P) se développent alors sans pouvoir êtreconsommés par l’étage biologique supérieur. On parle d’eu-trophisation. Ce processus est assimilable à une pollutionnutritionnelle.Les plans d’eau sont classés en 5 catégories selon leur degréd’eutrophisation déterminé par leur teneur en chlorophylle a.

2.2 CONSEQUENCES DE L’EUTROPHISATIONOutre les méfaits directs du foisonnement végétal dans leseaux (turbidité, colmatage des ouvrages hydrauliques), l'eu-trophisation s'avère être un précurseur de pollutions diverses:• Variations de la teneur en O2 dissous dans les eaux

entre le jour et la nuit. La forte consommation d’oxygène

Industriedes engrais

réorganisation

minéralisation

extr

actio

n

alté

ratio

n

entraînements

Végétaux

Roche mère

Animaux

Sédiments

Résidus

Complexeargilo-humique

GisementsPminéral

Pminéral Porganique

106 CO2 + 16 NO3- + HPO4

2- + 122 H2O + 18 H+ + énergie C106 H263 O110 N16 P + 138 O2

photosynthèse

respiration (cellule végétale)

Figure 1 : Cycle du phosphore

Équation 1 : Équation bilan de la photosynthèse

PHOSPHOREET ENVIRONNEMENT

durant la nuit peut aboutir à des périodes d’anoxie voired’anaérobiose plus ou moins longues et provoquer ainsi lamort de la faune aquatique par asphyxie.

• Variations du pH de l’eau entre le jour et la nuit. Laphotosynthèse s’accompagne d’une alcalinisation dumilieu. En présence d’eutrophisation, le pH du milieu aqua-tique peut dépasser 9 en fin de journée. Or, pour des pHsupérieurs à 9,3, l’azote ammoniacal se trouve principale-ment sous sa forme libre (NH3) particulièrement toxique.

• Dépôts de débris végétaux dans les fonds des coursd’eau qui ont pour conséquences :

- La destruction de l’habitat naturel de la faune;- Un appauvrissement en oxygène des fonds. Les débris

végétaux qui n’ont pas pu être minéralisés par manqued’oxygène, fermentent et provoquent le relargage d’am-moniac, d’hydrogène sulfuré et de méthane. Ces fer-mentations s’accompagnent d’une acidification dumilieu qui entraîne la libération de métaux (fer, manga-nèse) liés aux sédiments.

• Développement des cyanophées, algues capables de fixerl’azote atmosphérique et secrétant des toxines, au détri-ment d’autres espèces.

2.3 LE PHOSPHORE, RESPONSABLEDE L’EUTROPHISATION ?

La présence de phosphates dans une eau est une conditionnécessaire mais non suffisante à l’apparition de l’eutrophisa-tion. Les autres conditions nécessaires sont la présence d’azo-te dans le milieu et une source de lumière (voir l’équation 1).Cependant, limiter les rejets en phosphore plutôt qu’enazote dans les eaux naturelles apparaît être la meilleure solu-tion pour lutter contre l’eutrophisation. La principale raisonest que l’azote atmosphérique peut directement être assimi-lé par certains organismes vivants (quelques microorganis-mes, quelques algues dont les cyanophées). L’azote de l’airconstitue ainsi une source inépuisable de nutriments azotés.De plus, la présence actuelle dans les eaux d’azote à desteneurs supérieures aux concentrations limitantes, oriente lalutte contre l’eutrophisation sur la maîtrise des rejetsphosphorés.Il est admis (Meybeck, 1997), que l’eutrophie apparaît dansles eaux stagnantes pour des concentrations en phosphorede l’ordre de 0,04 à 0,1 mg/l. Pour des teneurs supérieures à0,6 mg/l, le phosphore n’est plus le facteur limitant; il n’y aplus proportionalité entre teneur en phosphore et proliféra-tion végétale (IFEN, 1999).

2.4 COMMENT RESORBER L’EUTROPHISATIONET SES CONSEQUENCES ?

La lutte contre l’eutrophisation doit s’effectuer à la fois auxniveaux préventif et curatif. La prévention consiste à minimi-ser les quantités de nutriments rejetées au milieu naturel etnotamment les phosphates. Pour cela, il est possible :

- d’ajouter une étape de déphosphatation au traitementclassique des eaux usées domestiques et industrielles,

- de réduire l’utilisation de détergents phosphatés ou d’u-tiliser des lessives sans phosphate,

- de raisonner et de contrôler les apports en fertilisantsphosphatés, car ils sont susceptibles d’être tranférésdans les eaux lorsqu’ils sont apportés en excès.

Au niveau curatif, diverses actions sont réalisables telles quel’injection d’oxygène dans les eaux pour réduire les zones d’a-noxie, le traitement au cuivre pour empêcher le développe-ment des algues, la précipitation in situ des phosphates dis-sous ou encore le siphonnage des eaux stagnantes.

Dans une étude sur les conséquences économiques de l’eu-trophisation, Bouni et Laurans (1992) estiment que les coûtsinduits par cette pollution pour l’année 1988 sont comprisentre 1,4 et 1,9 milliard de francs. Le traitement des eauxusées constitue la principale composante de ce coût, lemanque à gagner en matière de tourisme (baignade, pêche)arrivant en seconde position. En 1999, les Agences de l’Eauestiment le surcoût de potabilisation des eaux touchées parl’eutrophisation entre 1,5 et 2,4 milliards de francs par an(IFEN, 1999).

2.5 EUTROPHISATION : ETAT DES LIEUXEN FRANCE

2.5.1 Zones sensibles et zones vulnérablesConformément au décret du 3 juin 1994 relatif à la collecte et autraitement des eaux urbaines résiduaires, « Les zones sensiblescomprennent les masses d'eau significatives à l'échelle du bassinqui sont particulièrement sensibles aux pollutions, notammentcelles qui sont sujettes à l'eutrophisation et dans lesquelles lesrejets de phosphore, d'azote, ou de ces deux substances, doivent,s'ils sont cause de ce déséquilibre, être réduits. » Sont désignées comme zones vulnérables relatives à la pro-tection des eaux contre la pollution par les nitrates d’origineagricole (décret du 27 août 93), les zones où : • les eaux douces superficielles et souterraines, notamment

celles destinées à l'alimentation en eau potable, ont ou ris-quent de dépasser une teneur en nitrates de 50 mg/l,

• les eaux des estuaires, les eaux côtières ou marines et leseaux douces superficielles qui ont subi ou montrent unetendance à l'eutrophisation pouvant être combattue demanière efficace par une réduction des apports en azote.

Cette délimitation est arrêtée par le préfet coordonnateur debassin après une campagne de surveillance de la teneur ennitrates des eaux douces de un an.Les classements en zones sensibles et vulnérables sont revustous les 4 ans.Les zones classées sensibles et vulnérables en1994 sont représentées sur la figure 2.

2.5.2 Prolifèration végétaleD’après l’IFEN (1999), 29% des ressources en eau en Franceseraient eutrophisées. Les fleuves et grandes rivières semblentplus touchés que les petits cours d’eau (rivières et ruisseaux).Un suivi effectué entre 1971 et 1997 sur 551 points de mesuremet en évidence la diminution de la prolifération végétale dansles zones « agricoles » tandis qu’elle augmente en zone urbaine.

2.5.3 Teneur en phosphoreD’après le Réseau National des Données sur l’Eau (cité parl’IFEN, 1999-b), entre 1993 et 1997 et sur 1151 stations demesures de la qualité de l’eau disséminées sur le territoire,

- 40% des stations ont au moins relevé une fois uneconcentration supérieure à 1 mg de PO4/l.

- 20% des stations ont au moins relevé une fois uneconcentration comprise entre 0,5 et 1 mg de PO4/l.

6

- 40% des stations n’ont pas relevé de concentrationssupérieures à 0,5 mg de PO4/l.

La prolifération végétale et la teneur en phosphore dans leseaux superficielles en France sont représentée en annexe 1.Seules les régions du Sud et du Sud-est de la France semblentépargnées par les pollutions azoté et phosphoré et l’eutrophi-sation qui en découle.

3. LEGISLATION

3.1 ASSAINISSEMENT DES EAUX DOMESTIQUESIl est principalement réglementé par la loi sur l’eau de 1992,le décret du 3 juin 1994 et l’arrêté du 22 décembre 1994 quifixe les règles techniques. Les rejets limites des systèmes d’as-sainissement collectifs sont fixés par l’arrêté d’autorisationpréfectoral et dépendent de la sensibilité des milieux récep-teurs aux pollutions. Cependant, ces valeurs limites ne peu-vent être moins sévères que celles fixées par l’arrêtédu 22 décembre 1994.Cet arrêté fixe les rejets en phosphore des stations d’épurationurbaines situées en zone sensible et recevant plus de 600 kgde pollution organique par jour. Deux alternatives sont pro-posées : soit les concentrations en phosphore ne dépassentpas les valeurs indiquées dans le tableau 1, soit le rendementde la station sur le phosphore est supérieur à 80%.

3.2 INSTALLATIONS CLASSEES POUR LA PROTECTION DEL’ENVIRONNEMENT

L’arrêté du 2 février 1998 relatif au prélèvement et à laconsommation d’eau ainsi qu’aux émissions de toute naturedes Installations Classées pour la Protection del’Environnement soumises à autorisation fixe les concentra-tions limites en phosphore des eaux pouvant être rejetées aumilieu naturel :

• Dans le cas général, la concentration moyenne mensuellene doit pas dépasser 10 mg/l pour un flux journalier maxi-mal autorisé supérieur ou égal à 15 kg de P/jour.

• Pour des rejets en zone sensible, deux cas sont distingués : - pour un flux journalier maximal autorisé de 40 kg

de P/jour, la concentration moyenne mensuelle ne doitpas dépasser 2 mg/l,

- pour un flux journalier maximal autorisé de 80 kgde P/jour, la concentration moyenne mensuelle ne doitpas dépasser 1 mg/l.

3.3 ELEVAGE PORCINLa gestion des effluents de porcherie de plus de 450 animauxéquivalents est réglementée par l’arrêté du 29 février 1992(modifié par les arrêtés du 29 mars 1995 du 1er juillet 1999)qui fixe les règles techniques auxquelles doivent satisfaire lesporcheries de plus de 450 animaux équivalents au titre de laprotection de l’environnement. Les rejets directs dans les eaux ne sont pas limités sur le phos-phore mais uniquement sur les MES, la DBO5 et la DCO.L’épandage des lisiers, fumiers ou effluents traités issus desélevages est limité par les apports azotés et non par lephosphore. Cependant, « au cas par cas, en fonction desrisques d’érosion des terrains ou de ruissellement vers leseaux superficielles, le préfet peut fixer des limitations desapports phosphatés s’il apparaît nécessaire de renforcer laprotection des eaux superficielles ». Ainsi, en Vendée, leRéglement Sanitaire Départemental impose une limite de pla-fond d’épandage de 100 kg de P2O5/ha/an.

7

Figure 2 : Délimitation des zones sensibles et vulnérables en 1994 ( source RNDE fond cartographique IGN)

Zones sensibles Zones vulnérables

Charge brute Concentration maximale

de pollution organique reçue dans les rejets

(kg/jour) (mg P/l)

600 à 6000 2

> 6000 1

Tableau 1 : Concentrations limites en phosphoredans les rejets des stations d’épuration urbaines

situées en zone sensible selon la pollutionorganique reçue (arrêté du 22/12/1994)

8 Il est intéressant de noter qu’au Pays-Bas, la réglementationimpose des limites de 48 kg de P/ha/an (109 kg P2O5) sur lesterres cultivées et 59 kg de P/ha/an (134 kg P2O5) sur les prai-ries (cité par Greaves et al., 1998).

3.4 LA REDEVANCE POLLUTIONSi les différentes réglementations ne fixent pas de valeurslimites en phosphore en dehors des zones sensibles, lesrejets en phosphore sont toutefois taxés puisqu’ils parti-

cipent à l’assiette redevance pollution des Agences del’Eau.

4. CONCLUSION

Le phosphore, élément naturellement abondant dans le sol etles sédiments, apparaît être le facteur limitant de l’eutrophisa-tion. Avec l’augmentation de la pression réglementaire, on s’o-riente vers une maîtrise accrue des flux de phosphore. ■

II 9

L’objectif de ce chapitre est d’estimer à partir de données etd’hypothèses de base, les quantités de phosphore dues à l’ac-tivité humaine qui sont émises dans l’environnement (sol eteau) et celles qui sont transférées dans les eaux naturelles. Lesrésultats obtenus sont donnés pour chaque secteur d’activitéet chaque région française métropolitaine.Mise en garde : Les valeurs présentées dans ce chapitre nesont que des ordres de grandeurs. En effet, elles sontobtenues à partir de données d’origines diverses et dontla précision n’est pas toujours connue.

1. RECENSEMENT DES SOURCES DE PHOSPHORE

Les flux de phosphore qui sont émis dans l’environnement ontpour origines (Vignoles, 1992) :

- des sources domestiques constituées des eaux uséesurbaines ;

- des sources industrielles provenant essentiellement dela chimie des engrais, de l’agro-alimentaire et de l’utili-sation de détergents ;

- des sources agricoles qui se répartissent essentiellemententre les engrais chimiques et les déjections animales ;

- des sources naturelles dues à l’érosion des sols et à ladécomposition de la matière organique.

Les sources domestiques et industrielles constituent les rejetsponctuels de phosphore. Les sources agricoles et naturellessont de nature diffuse, c’est à dire non canalisées. Le phospho-re d’origine agricole apporté au sol par le biais de l’épandaged’engrais et de déjections animales est pour sa majeure partieutilisé et exporté par les cultures. L’excédent de phosphore,non utilisé par les plantes, est adsorbé dans les sols. Lephosphore est principalement transféré du sol vers les eaux desurface par ruissellement lors d’épisodes de crus (Cann,1997). Lorsque les sols sont saturés en phosphore, il n’y a plusd’adsorption possible et le phosphore est directement transfé-ré dans les eaux en surface.

2. QUANTITES DE PHOSPHORE EMISESDANS L’ENVIRONNEMENT

L’objectif de ce paragraphe est d’estimer les quantités dephosphore émises par les activités humaines dans l’environ-nement ; c’est à dire les quantités rejetées ou apportées dansles eaux et les sols.

2.1 DONNEES ET METHODES DE CALCUL2.1.1 APPORT DES ENGRAISPour estimer l’apport en phosphore par les engrais chimiques,les données de l’UNIFA reprises par le CORPEN (1998) ont été

utilisées. Ces données présentent les quantités de phosphorepar hectare apportées par les engrais chimiques en 1997 danschaque département.

2.1.2 EFFLUENTS D’ELEVAGE- Données de l’estimationLes données utilisées émanent du CORPEN et de la StatistiqueAgricole Annuelle 99.Les valeurs de références concernant les rejets en phosphoredes différentes espèces animales ont été établies par le COR-PEN. Elles sont soit exprimées en masse de P2O5 par animalproduit, soit en masse de P2O5 par animal et par an. Letableau 2 présente ces valeurs de références. Les poids vifsmoyens des animaux à l’abattage sont donnés dans le tableau3. L’estimation ne prend en compte que les rejets des animauxpour lesquels une référence CORPEN existe.La Statistique Agricole Annuelle donne les effectifs des ani-maux ainsi que la production d’animal produit fini, expriméeen « poids de viande nette ; il s’agit de la carcasse provenantde l’abattage des animaux comprenant les rognons et la grais-se de rognons, à l’exclusion de tous les autres abats ».

- Méthodes de calcul• Calcul des rejets lorsque la référence CORPEN est exprimée

en masse de P2O5 par animal produitLes rejets sont ainsi exprimés pour les animaux dont la duréede vie est inférieure à un an (porc charcutier, veau de bou-cherie, etc.). La quantité de phosphore rejeté par l’animal pro-duit fini j dans le département i est alors estimée par l’expres-sion suivante :

(P2O5)i, j = Ni, j (P2O5)j

(PF)i, jNi, j = ρj (PV)j

(P2O5)i, j : Rejets en P2O5 dans le département i et pour l’animal j

considérés (tonne P2O5/an)

Ni, j : Nombre d’animaux dans le département

(P2O5)j : Références CORPEN définies l’animal j (kg/animal produit)

(PF)i, j : Poids Net d’animaux produits finis j dans le département i (tonne/an)

(PV)j : Poids vif moyen de l’animal j avant abattage (kg)ρ

j : Rendement en Poids Vif et Poids Net de l’animal j

• Calcul des rejets lorsque la référence CORPEN est expriméeen masse P2O5 par animal et par an

La quantité de phosphore rejeté par l’animal j dans le dépar-tement i est estimé par l’expression :

ESTIMATION DES FLUXDE PHOSPHORE

(P2O5)i, j = Ei, j (P2O5)i, j

Ei, j : Effectif de l’animal j dans le département i (nombre de têtes)

2.1.3 EFFLUENTS DOMESTIQUESD’après l’arrêté du 6 novembre 1996 portant application de laloi du 16 décembre 1964 modifiée relative au régime et à larépartition des eaux et à la lutte contre leur pollution, la quan-tité de pollution phosphorée journalière à prendre en comp-te pour chaque habitant est fixée à 4 g de phosphore.Connaissant les populations de chaque région administrative,l’ordre de grandeur des rejets en phosphore d’origine domes-tique est calculé. Il n’a pas été tenu compte dans cette estima-tion des coefficients d’agglomération pondérant la pollutiondomestique selon la taille de l’agglomération, ni de la varia-tion saisonnière d’habitants.

2.1.4 Effluents industrielsDeux sources de données ont été utilisées pour estimer lesrejets industriels en phosphore :

- données des DRIRE émanant de l’autosurveillance desinstallations classées.

- données des Agences de l’Eau issues de l’assiette pollu-tion utilisée pour calculer la redevance pollution.

- Données DRIREA partir des données 1995 de l’autosurveillance des installa-tions classées recueillies par les DRIRE, le RNDE (1997) a dres-sé le bilan des principaux rejets industriels en France. Ce bilanne prend en compte que les établissements dont les rejetsdépassent, pour au moins un des composés retenus, unevaleur plafond. Ces composés et les valeurs seuils correspon-dantes sont présentés en annexe 3. Au total, se sont près de700 établissements recensés.Le devenir des eaux résiduaires ainsi caractérisées est précisédans le bilan : raccordement au réseau collectif, épandage ourejet au milieu naturel.

- Données Agences de l’EauEn accord avec l’article 3 de l’arrêté du 28 octobre 1975, « l’as-siette de redevance est la pollution produite au cours d’unjour normal du mois de rejet maximal ». Cette pollution estestimée forfaitairement selon le type d’activité et les équipe-ments en place, sauf cas particulier (demande du redevable).Les Agences de l’Eau déterminent la pollution brute et la pol-lution nette correspondant respectivement à la pollution avanttraitement sur le site industriel et à la pollution qui sort de l’é-tablissement. La pollution nette est soit traitée en assainisse-ment collectif lorsque les établissements sont raccordés, soitdirectement rejetée au milieu naturel.Connaissant les flux rejetés par chaque établissement sou-mis à la redevance, on détermine les rejets totaux à l’échel-le du département, de la région ou du bassin versant.Cependant, les forfaits appliqués ont tendance à surestimerla pollution.

2.2 RESULTATS2.2.1 Phosphore mis en jeu par secteur d’activitéLe tableau 4 présente les quantités de phosphore apportéesdans l’environnement par les différentes activités humaines

10

Poids Vif (PV)

(kg)

Porc à l’engrais 108

Porc en post sevrage 28

Veau de boucherie 130

Agneau 34

Poulet de chair 1,9

Dinde 7,9

Pintade 1,6

Canard à rôtir 3,5

Canard gras 2,0

Oie à rôtir 5,3

Oie grasse 2,4

Caille 0,1

Tableau 3 : Poids vif des différents animaux

Unité Rejets P2O5

Porcins Porc à l’engrais produit kg/animal 2,10(1996) Porc en post-sevrage

produit kg/animal 0,28Truie kg/animal/an 15,0

Bovins Vache laitière kg/animal/an 36,0(1988) Vache allaitante kg/animal/an 25,2

Génisse 0-1 an kg/animal/an 10,8Génisse 1-2 ans kg/animal/an 21,6Génisse > 2 ans kg/animal/an 28,8Génisse 0-2 ans kg/animal/an 18,0Bovin viande 0-1 an kg/animal/an 10,8Bovin viande 1-2 ans kg/animal/an 21,6Bovin viande >2 ans kg/animal/an 25,2Taurillon laitier 0-2 ans kg/animal/an 16,2Veau de boucherie kg/animal 1,0

Ovins Brebis kg/animal/an 6,0(1988) Agneaux produits kg/animal 1,8

Volailles Poulet de chair g/animal 31(1997) Reprod. poulets de chair g/animal/an 500

Dinde g/animal 220Reprod. dindes g/animal/an 1000Pintade g/animal 50Reprod. pintades g/animal/an 367Canard à rôtir g/animal 86Canard gras g/animal 45Oie à rôtir g/animal 218Oie grasse g/animal 58Caille g/animal 10Poule pondeuse g/animal/an 500

Tableau 2 : Rejets en P des différentes espèces Références CORPEN

pour la France entière ainsi que la région où les apports enphosphore rapportés à sa superficie sont les plus impor-tants. Le détail des résultats région par région se trouve enannexe 2.L’examen du tableau 4 amène une remarque sur les rejetsindustriels de phosphore. En effet, même si les données desAgences de l’Eau surestiment la pollution, les rejets enphosphore estimés par la redevance (37 000 T/an) sont 7 foisplus élevés que les rejets en phosphore calculés d’après lesdonnées DRIRE (5 000 T/an). Cette différence met en éviden-ce que les rejets industriels en phosphore n’émanent pas dequelques « gros » pollueurs qui dépassent les valeurs seuilsprésentées en annexe 2 mais d’un grand nombre d’établisse-ments « petits » pollueurs. La valeur retenue pour caractériserles rejets en phosphore d’origine industrielle est celle obtenuepar les données des Agences de l’Eau, qui représente la quasitotalité des rejets des établissements industriels.

La répartition des flux de phosphore apportés au milieu natu-rel (sol et eau) selon leurs origines est présentée sur la figure 3.Cette figure montre que les sources agricoles (fertilisation parles engrais chimiques et déjections animales) représentent laplus grande partie des apports de phosphore dans l’environ-nement.

La figure 4 représente la répartition selon le type d’élevage desapports en phosphore au milieu naturel. Cette figure montreque l’élevage de bovins est le plus gros producteur dephosphore. Cependant, les valeurs CORPEN correspondantaux rejets en phosphore par les bovins datent de 1988 et sur-estiment les rejets actuels.

2.2.2 Phosphore mis en jeu par régionLa figure 5 (page suivante) représente la pression en phospho-re sur les différentes régions. Les deux régions où la pression

phosphorée est la plus élevée sont la Bretagne et l’Ile deFrance. En Bretagne, l’élevage est le premier producteur dephosphore. En Ile de France, la pression urbaine contribuepour une large part aux flux de phosphore.

3. QUANTITES DE PHOSPHORE TRANSFEREES DANS LES EAUX

Les flux de phosphore transférés dans les eaux peuvent pro-venir de sources ponctuelles (rejets directs) ou diffuses (ruis-sellement). Ces flux sont estimés dans ce paragraphe.

3.1 METHODES ET HYPOTHESES DE CALCUL3.1.1 Sources diffusesPour estimer la part des sources diffuses, Héduit (1990) sebase sur les exportations de phosphore par les cultures.D’après cet auteur, la différence entre les apports et les expor-tations est égale au transfert de phosphore d’origine diffusedans les eaux. Cette approche est pour l’instant inapropriéecar les sols ne sont pas saturés en phosphore.Baroin (1992) estime que 1% du phosphore des engrais chi-miques et 10% du phosphore des effluents d’élevage apportésau sol sont transférés dans les eaux naturelles. Ces pourcen-tages sont issus d’une étude sur le Lac Léman. Ils ne sont abso-lument pas représentatifs de la diversité des situations enFrance. En effet, le transfert du phosphore est largementdépendant du type de sol, de la pluviométrie, de l’érosion et

11Tableau 4 : Phosphore émis dans l’environnementpar les différentes activités humaines

Rejets totaux Région principale

France productrice

(1000 T P2O5/an)

Apports des engrais 2177,3 Aquitaine (12 %)

Effluents d’élevages

Porcins 76,2 Bretagne (56 %)

Bovins 459,4 Pays de Loire (13 %)

Ovins 50,5 Midi Pyrénnées (23 %)

Volailles 86,0 Bretagne (41 %)

Effluents domestiques 195,6 Ile-de-France (19 %)

Effluents industriels

Données DRIRE 5,3 Ile-de-France (29 %)

DonnéesAgence de l’Eau 36,9 Ile-de-France (9 %)

(*) Part de la région dans les rejets totaux de phosphore

Engrais

Élevage

Industrie

Domestique

6 %1 %

22 %

71 %

Porcins

11 %

8 %

13 %

68 %

Ovins

Bovins

Volailles

Figure 4: Phosphore mis en jeu par les différents types d’élevage

Figure 3 : Phosphore mis en jeu par les différentssecteurs d’activité dans le milieu naturel

du degré de saturation du sol (Turpin et al., 1997).Cependant, à défaut d’autres références, ce sont ces valeursqui ont été retenues. Les quantités de phosphore transféréessont alors estimées à partir des tableaux 2 et 5 .

3.1.2 Sources ponctuellesD’après l’IFEN (1998), le taux de collecte moyen des eauxdomestiques en France est de l’ordre de 62% et d’après leRNDE (1998), le taux moyen d’élimination du phosphore dansles stations d’épuration est de l’ordre de 40%. A partir dutableau 6 et de ces valeurs, les quantités de phosphore dues àla pollution domestique rejetées vers le milieu naturel sontestimées.

Pour calculer l’ordre de grandeur des flux de phosphore d’o-rigine industrielle dans les eaux naturelles, on suppose que25% des rejets industriels sont recueillis dans un réseau d’as-sainissement collectif. En effet, les données DRIRE et de troisAgences de l’Eau estiment respectivement les taux de raccor-dement à 35, 25, 15 et 9%. Le phosphore des effluents raccor-dés est supposé être éliminé à hauteur de 40% (RNDE, 1998).Les flux sont alors calculés à partir du tableau 7.

3.2 ORIGINE DES REJETS PHOSPHORES DANS LES EAUXNATURELLES

Du fait du nombre important d’hypothèses et de simplifica-tions, seule la répartition des sources en phosphore responsa-

12

Bret

agne IdF

Aqui

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0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

T P

2O5

/ an

/ km

2

Engrais Domestique Industrie Elevage

Figure 5 : Origine des flux en phosphore dus à l’activité humaine - Résultats par région

Agricole

Industrie

Domestique

38 %

Héduit (1990)

Vignoles (1992)

Barroin (1991)

CORPEN (1999)

47 %

15 %

22 %

47 %

30 %

25 %

50 %

25 %

35 %

31 %

34 %

Figure 7 : Origine du phosphore dans les eaux selon différents auteurs

ble de la teneur en phosphore dans les eaux est chiffrée, aucu-ne valeur n’est donnée sur les flux.

La figure 6 montre que les effluents domestiques sont les prin-cipaux responsables de la teneur en phosphore dans les eaux.Les effluents d’élevage contribuent à hauteur de 21% auphosphore dans les eaux. Or, les rejets de phosphore par lesporcs représentent 11% de l’ensemble des rejets d’élevage. Ils’en suit qu’environ 2% du phosphore dans les eaux provientdes effluents de porcherie.

La figure 7 présente la répartition de l’origine du phosphoredans les eaux naturelles selon différents auteurs. Mis à partVignolle (1992), tous les auteurs arrivent à une conclusionidentique à celle de cette étude : le phosphore dans les eauxest principalement d’origine domestique.

4. CONCLUSION

La principale composante des apports en phosphore au milieunaturel (sols et eaux) dus à l’activité humaine est d’origineagricole du fait de la fertilisation des cultures. Les régions oùles apports en phosphore au milieu, ramenés à la superficie,sont les plus importants sont la Bretagne (élevage) et l’Ile deFrance (engrais, pression urbaine).

Le phosphore émis dans l’environnement ne se retrouvequ’en partie dans les eaux naturelles, principalement du faitde l’exportation par les cultures et de l’adsorption dans lessols du phosphore utilisé pour la fertilisation (engrais, déjec-tions). Suite aux nombreuses hypothèses posées, notammentau niveau du transfert du phosphore d’origine agricole, ilapparaît que le phosphore dans les eaux est principalementd’origine domestique et que celui d’origine agricole ne repré-sente guère plus qu’ un quart des apports totaux. ■

13

Engrais

Élevage

Industrie

Domestique

7 %

61 %

11 %

21 %

Figure 6 : Origine du phosphore dans les eaux

IIISuite à la prise de conscience de la nécessité de diminuer lesrejets en phosphore dans les eaux superficielles, les stationsd’épuration urbaine se sont peu à peu équipées d’unité dedéphosphatation. Ainsi, en 1995, 200 stations étaient capablesde traiter spécifiquement le phosphore contre 22 en 1986(RNDE, 1998).Dans ce chapitre, les moyens d’éliminer le phosphore deseaux résiduaires urbaines sont répertoriés et commentés.Contrairement à l’azote, le phosphore ne peut être transforméen un produit gazeux. Le traitement du phosphore contenudans les eaux consiste en une concentration de cet élémentdans une phase solide, cette opération peut s’effectuer parvoie biologique ou physico-chimique. L’efficacité du traite-ment désigne donc sa capacité à éliminer de l’effluent liquidele phosphore. La gestion du ou des solides riches en phospho-re issus des traitements est abordée au chapitre V.

1. LES PROCEDES NON SPECIFIQUES AUPHOSPHORE

1.1 FILIERES CLASSIQUES DE TRAITEMENT DES EAUXUSEES

Les filières classiques de traitement des eaux usées urbaines(voir annexe 4) permettent une élimination en plus ou moinsgrande quantité du phosphore. Le tableau 5 ci-dessous pré-

sente les performances des traitements primaires et biolo-giques classiques vis à vis du phosphore.

Tableau 5 : Elimination du phosphoredes procédés classiques de traitement des eaux

La décantation primaire permet d’éliminer de l’effluent liqui-de une partie du phosphore particulaire. L’élimination duphosphore dans un traitement biologique classique se faitpar :

- oxydation du phosphore organique en ortho-phosphates.

- assimilation du phosphore par la biomasse ;- décantation du phosphore particulaire ;

1.2 PROCEDES MEMBRANAIRESLes techniques membranaires ont de larges applications tantdans les industries chimiques et agroalimentaires qu’en traite-ment des eaux.

• PrincipeUne membrane est une barrière plus ou moins épaisse quisous l'effet d'une force de transfert va permettre ou interdire,selon ses caractéristiques de sélectivité, le passage de certainscomposants entre deux milieux qu'elle sépare. Le perméatdésigne le flux de matière qui traverse la membrane et lerétentat le flux qui est retenu par la membrane. La forcemotrice de cette séparation est généralement induite par unedifférence de pression entre l’amont et l’aval de la membrane.Il existe 3 types de mécanismes dans les séparations membra-naires: • La filtration : les composés à fort encombrement stérique

sont stoppés tandis que les autres passent à travers lesmicropores de la membrane ;

• La perméation qui implique un changement en phase

15LE POINT SUR L’ELIMINATIONDU PHOSPHORE DES EAUXRESIDUAIRES

Décantation Trait. biologique

primaire (aération)

Efficacité (%) > 10 30

Osmose Inverse

0.0001

Nanofiltration Microfiltration

Diamètre particules (µm)

Ultrafiltration Filtration

0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000

Figure 8 : Validité des techniques membranaires selon la taille des particules à concentrer

vapeur ;• L’osmose inverse : en appliquant en amont de la membra-

ne une pression supérieure à la pression osmotique ducomposé à concentrer, l’eau contenue dans l’effluent va tra-verser la membrane vers le milieu le plus dilué.

Le domaine d’application des diverses techniques membranai-res selon la taille des composés à concentrer, particules, col-loïdes, macromolécules, ..., est schématisé sur la figure 8(Perry, 1997).

• Élimination du phosphores des eaux résiduairesEn traitement des eaux usées, les membranes selon leurscaractéristiques, peuvent être utilisées pour éliminer desmolécules très diverses. Le phosphore, notamment sous formede sels de phosphate peut être ainsi facilement concentré parosmose inverse. Les techniques membranaires sont générale-ments utilisées comme traitement de finition.

2. LES PROCEDES DE DEPHOSPHATATIONPHYSICO CHIMIQUES

2.1 PRINCIPELeurs principes consistent à précipiter les phosphates conte-nus dans les eaux par ajout de réactifs (électrolytes minéraux)puis à séparer la phase solide de la phase liquide. Les réactifsutilisés sont généralement des sels d’aluminium, de fer ou decalcium.Les sels de métaux (Al, Fe) sont plutôt utilisés pour traiter leseffluents acides tandis que la chaux est utilisée pour leseffluents basiques.

• Sels de métauxL’équation bilan de la précipitation avec des sels de métaux tri-valents (Fe, Al) s’écrit :

La précipitation du phosphore par les sels d’aluminium estgénéralement effectuée par ajout de sulfate d’alumineAl2(SO4)3 18H2O ou d’aluminate de soude Na2OAl2O3. Le soli-de formé est composé d’hydroxyde d’aluminium Al(OH)3 etde phosphate d’alumine AlPO4. Compte tenu des équilibresacido-basiques des différentes espèces en solution, la précipi-tation est optimale pour des pH compris entre 6 et 6,5.Les mécanismes de la précipitation du phosphore par les selsde fer sont complexes car ils dépendent des teneurs en fer fer-rique et ferreux qui elles-même dépendent du pH et du poten-tiel redox du milieu. Pour une précipitation par le fer ferrique,le pH optimal de la précipitation des phosphates est de 5 alorsque pour le fer ferreux il est compris entre 7 et 8.

Les sels de métaux utilisés pour l’élimination du phosphoredes eaux résiduaires doivent être ajoutés en excès par rapportau phosphore pour en assurer une précipitation complète carces réactifs réagissent aussi avec d’autres composés chimiques.

• ChauxLes mécanismes de la précipitation par la chaux sont encoreplus complexes. La dose de chaux à fournir ne dépend pas dela teneur en phosphates de l’effluent à traiter mais de la dure-té, de l’alcalinité et bien sûr de la teneur souhaitée enphosphore dans l’effluent traité. L’un des intérêts de l’utilisa-tion de la chaux est de poursuivre le traitement par une cris-tallisation du phosphore. Les équations bilans de précipitationsont présentées ci dessous selon le pH initial de l’effluent.2.2 MISE EN ŒUVRE DES PROCEDESSur une filière classique de traitement des eaux, la précipita-tion du phosphore par ajout de sels de métaux peut se faire auniveau du traitement primaire (pré-précipitation), dans le bas-sin d’aération (précipitation simultanée) ou après la clarifica-tion (post précipitation). Chacune de ces trois options possè-dent ses avantages et inconvénients.

- Pré-précipitationDans ce cas, la précipitation du phosphore s’accompagned’une élimination non négligeable par coagulation de matièreorganique. Le traitement biologique qui suit est donc soulagé.Par contre, comme le phosphore organique n’a pas été oxydéen phosphates dans le réacteur biologique, il n’est que peu éli-miné par ce traitement. De plus, les colloïdes et autres espè-ces ioniques présents dans les eaux brutes consomment duréactif qui doit donc être introduit en excès par rapport au Ppour en assurer une élimination correcte. Les volumes deboues sont de 50 à 100 % plus importants, voire de 100 à200 % avec la chaux, que les volumes produits sans ajout deréactif.

- Précipitation simultanéeC’est l’option la plus employée en France. Elle nécessitemoins de réactif et produit moins de boues qu’en pré-traite-ment et elle permet d’éliminer le phosphore organique oxydéen phosphates dans le réacteur biologique. De plus, elle s’intè-gre facilement dans une filière de traitement en fonctionne-ment. Le réactif est préférentiellement ajouté en aval du réac-teur ce qui permet d’en réduire l’apport. L’augmentation desvolumes de boues est compris entre 40 et 65% par rapport àune aération sans ajout de réactifs.

- Précipitation en post-traitementCette option permet une très bonne élimination du phospho-re avec ajout de faibles quantités de réactif. La déshydratationdes boues minérales obtenues est aisée. Cependant, cettesolution nécessite des investissements lourds.

Les performances de quelques stations équipées de traitementchimique du phosphore (sels de fer) aux Etats-Unis sont rap-portées par Copper et al. (1994). Dans tous les cas, les rende-ments sont supérieurs à 80%.

3. LES PROCEDES DE DEPHOSPHATATIONBIOLOGIQUES

M 3+ + PO4 3- MPO4

16

2 H3PO4 + Ca(OH)2 Ca(PO4H)2 + 2 H2O

pH = 6 à 7

2 Ca(PO4H)2 + Ca(OH)2 Ca3(PO4)2 + 2 H2O

pH = 9 à 12

3.1 PRINCIPELe principe de la déphosphatation biologique repose sur lacapacité de quelques microorganismes à stocker du phospho-re dans leur cellule. Les boues biologiques dont les teneurs enphosphore ne dépassent généralement pas 3% pour une filiè-re classique de traitement des eaux, peuvent en contenir jus-qu’à 10% dans un système assurant une déphosphatation.Le processus nécessite l’alternance de deux phases bien dis-tinctes d’anaérobiose et d’aérobiose :■ En milieu anaérobie (figure 9), la fraction facilement

fermentescible de la Matière Organique (MO) est trans-formée en Acides Gras Volatils (AGV). Les bactériesdéphosphatantes, qui sont aérobies facultatives et hétéro-trophes, ont la capacité d’absorber et de stocker cesAcides Gras Volatils dans leurs cellules sous forme dePolyHydroxyAlcanoates (PHA). L’énergie nécessaire à cetteabsorption est fournie par hydrolyse des PolyPhosphates(PolyP) contenues dans les cellules des bactéries, enphosphates (PO43-).

■ Lorsque ces bactéries déphosphatantes se retrouvent enmilieu aérobie (figure 9), elles utilisent leurs stocks dePHA comme substrat carboné. Ceci leur évite de rentrer encompétition avec le reste de la biomasse hétérotrophe pourl’obtention du substrat carboné nécessaire à leur métabo-

lisme (apport énergétique et synthèse cellulaire).Simultanément, elles absorbent les phosphates contenusdans le milieu pour reconstituer leurs réserves en poly-phosphates.

La succession de périodes aérobies et anaérobies a pourconséquence la sélection de cette biomasse stockant lephosphore intracellulairement sous forme de polyphosphates.Le résultat net est un transfert du phosphore minéral contenudans le liquide à traiter vers la matière cellulaire.

3.2 PARAMETRES OPERATOIRESLes performances de la déphosphatation biologique dépen-dent de plusieurs paramètres opératoires qui agissent sur lesprocessus de la phase anaérobie (relargage des phosphates)ou de la phase aérobie (réassimilation des phosphates).En règle générale, les rapports DBO/P et DCO/P sont respecti-vement de l’ordre de 20 (Cooper, 1995) et 30 (ADEME, 1996).En effet, dans le réacteur anaérobie, il faut favoriser la fer-mentation de la matière organique en AGV. L’effluent doit donccontenir une partie importante de matière organique facile-ment fermentescible.La présence de nitrates dans la zone d’anaérobiose (relargagedes phosphates) est défavorable au processus de déphospha-tation pour deux raisons :

17MILIEU AÉROBIEMILIEU ANAÉROBIE

effluent

MO AGV

PO43-

cellule effluent

+ CO2 + H2O

PO43-

cellule

PHA

PolyP

PHA

PolyP

PHAPolyP

Figure 9 : Accumulation intra cellulaire de la matière organique en anaérobioseet de polyphosphates en aérobiose.

Réacteur anaérobie

Eauusée

Eautraitées

Boues

Réacteur anoxie Réacteur aérobieSéparationde phase

Figure 10 : Principe du procédé de déphosphatation biologique Phoredox

• La présence d’un accepteur d’électron (nitrate) inhibe la fer-mentation de la matière organique en acide gras volatil.

• La compétition entre les bactéries dénitrifiantes etdéphosphatantes vis à vis du substrat carboné est en faveurdes dénitrifiantes.

Le potentiel rédox doit être tel qu’il ne favorise ni la dénitrifi-cation ni la réduction des soufrés en sulfates mais la croissancedes bactéries accumulant les phosphates (Audic et al., 1994).Le temps de séjour dans le réacteur anaérobie est générale-ment de l’ordre de 1 à 3 heures. Celui-ci doit être ajusté avecprécision aux caractéristiques de l’effluent et à la charge à trai-ter afin d’éviter un relargage de phosphates sans accumulationconjointe de PHA, le substrat étant épuisé.Enfin, l’âge des boues ne doit pas être élevé.

3.3 LES PROCEDES DEVELOPPESLa présence de nitrates et d’oxygène dans les boues recycléesen tête du traitement impose des procédés plus complexesque la simple succession d’une phase aérobie après une phaseanaérobie. En effet, des conditions d’anaérobiose stricte sontrequises pour la croissance sélective des bactéries déphospha-tantes. Le milieu ne doit donc pas contenir de nitrites et denitrates. En général, un traitement de l’azote par nitrifica-

tion/dénitrification est conjoint au traitement du phosphore.Le principe d’un procédé de déphosphatation en continu,développé industriellement est schématisé sur la figure 10.La déphosphatation biologique peut s’opérer en discontinu.L’effluent est alors soumis à des conditions successives d’a-naérobiose, d’anoxie et d’aération. Ce type de procédé, orien-té dans le temps (Sequencing Batch Reactor), permet d’éviterla recirculation des boues.

4. CONCLUSION

Afin de réduire les rejets phosphorés d’origine domestiquedans les eaux naturelles, des procédés de déphosphatationont été développés depuis les années 1980. On distingue lesprocédés physico-chimiques et les procédés biologiques. Lespremiers sont de gestion simple mais ils sont coûteux en réac-tifs chimiques et présentent le désavantage de produire desvolumes importants de boues. La conduite des procédés bio-logiques est délicate. De plus, ils nécessitent des investisse-ments importants (génie civil). Mais une fois en œuvre, ils per-mettent une bonne élimination du phosphore, pouvant êtrecouplée à une élimination de l’azote, à des coûts de fonction-nement peu élevés. ■

18

IVAfin de minimiser la part de l’élevage porcin dans la pollutionphosphorée et l’eutrophisation des cours d’eau, il faut agir surdeux axes complémentaires :

- réduction du phosphore excrété,- exportation du phosphore après une concentration plus

où moins poussée.

1. REDUCTION DU PHOSPHORE EXCRETE :LA VOIE ALIMENTAIRE

L’influence de l’alimentation sur les rejets en phosphore a déjàété étudiée (Latimier et Pointillart, 1993). Une alimentationbiphase, qui adapte les apports en phosphore à l’âge du porc,et l’ajout de phytases microbiennes dans l’aliment, qui aug-mente la digestibilité du phosphore, permettent de réduiresensiblement le phosphore excrété.Dans son programme d’action pour la maîtrise des rejets enphosphore provenant des activités agricoles, le CORPEN(1999) estime l’impact de l’alimentation sur les rejets enphosphore des porcs charcutiers (tableau 6).

Tableau 6 : Impact de l’alimentation des porcssur les excrétions phosphorés

2. CONCENTRATION DU PHOSPHORECONTENU DANS LE LISIER DE PORC

Pour « éliminer » le phosphore du lisier, comme de touteffluent liquide, une seule alternative existe : la concentrationdu phosphore dans un plus faible volume dont la gestion s’a-vère plus simple.Les procédés spécifiques de déphosphatation, dont les princi-pes ont été présentés au chapitre III, ont été mis au point pourle traitement des eaux usées urbaines dont les concentrations

en phosphore sont moins élevées que celles du lisier(Tableau 7). Ces procédés ne sont donc pas forcémenttransposables à l’épuration du lisier de porc.

Tableau 7 : Teneurs moyennes en MS, NTK et Pdes eaux usées urbaines et du lisier de porc.

Contrairement aux eaux résiduaires urbaines où le phosphorese trouve majoritairement sous forme de phosphates dissous,le phosphore dans le lisier de porc se trouve à 85% sous formeparticulaire (Tableau 8). Une solution pour en réduire lateneur dans l’effluent liquide consiste donc à séparer les pha-ses liquides et solides du lisier.

Tableau 8 : Formes de phosphoredans les eaux domestiques et les lisiers de porc

(d’après Gerritse cité par Héduit et al., 1978et Agence de l’eau, 1994)

2.1 ELIMINATION DU PHOSPHORE PAR SEPARATIONDE PHASE

2.1.1 Les techniques de séparation de phaseIl existe 3 grands principes de séparation liquide - solide : ladécantation, la filtration et le pressage. En traitement du lisier,les trois principes peuvent être appliqués.

2.1.1.1 DécantationLa décantation des matières solides peut se faire par gravité,par centrifugation, par flottation ou par application d’uneforce électromagnétique. Dans le cas du lisier, seules lesdécantations gravitaire et centrifuge sont actuellement utili-sées. Les mécanismes de la décantation font intervenir la taille

19QUELLES SOLUTIONSPOUR LE PHOSPHOREDES LISIERS?

% P P

dans l’aliment k g / p o r c

charcutier

produit

Aliment unique 0,60 2,09

Biphase

-porc en croissance (<60kg) 0,52 1,42

-porc en finition (>60kg) 0,45

Biphase+500 phytase microbienne

-porc en croissance (<60kg) 0,47 1,16

-porc en finition (>60kg) 0,40

Eau urbaine Lisier de porc

MS (mg/l) 1000 à 3000 50 000 à 100 000

NTK (mg/l) 30 à 100 4 000 à 6 000

P (mg/l) 10 à 25 1 300 à 1 700

Eau domestique Lisier de porc

P dissous 90 -

organique (%) 3

minéral (%) 10

P particulaire 10 -

organique (%) 12

minéral (%) 75

20

��yyyyyyyyyyyy��yy

Sortie solide

Sortie liquide

Entréelisier

��

sortie phaseliquide

réducteurdifférentiel

sortie phasesolide

couvercle

bol

racleurhélicoïdal

palier

poulied'entraînement

entréelisier

Figure 11 - 12

Décanteur gravitaire

Filtre à bandes

Décanteur centrifuge

Vis presseuse

��

yyyyyyyyy

��

yyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyy

�y�y�Q¢��Moteur

Entrée lisierVibrateur

Sortie phase liquide

Contrepoids

Sortie phase solide

��

Entrée lisier

Zone d'égouttage

Zone d'égouttage

Toile de filtration

Sortie phase liquide

Grattoir

Sortiesolide

et le poids spécifique des matières solides en suspension. Ladécantation gravitaire se décline en différentes versions : sim-ple (procédé discontinu), avec racleur et en lit de boue (pro-cédés continus). Les principes de ces procédés sont schémati-sés sur les figures 11.

• FiltrationLa filtration consiste en un passage du mélange liquide-solideà séparer au travers d’un milieu poreux (filtre) qui retient lessolides et laisse passer les liquides (filtrats). Lorsque la tailledes particules est supérieure à celle des pores, la filtration estdite de surface. Dans le cas contraire, les particules sont arrê-tées à l’intérieur de la masse poreuse et la filtration est dite devolume ou sur lit filtrant.Parmi les équipements de filtration de surface utilisés pour letraitement des lisiers, on trouve les tamis vibrants, les tablesd’égouttage et les filtres à bande (Figure 11). Les lits filtrantssont la plupart du temps constitués de sable, de roseaux, voirede terre et de pailles.

• PressageLe pressage permet d’éliminer la phase liquide contenue dansun solide par action mécanique, en exerçant une pression surce solide. Cette opération peut se faire en continu ou en dis-continu selon le type d’équipement utilisé. Parmi les procédésde pressage en continu, on distingue les vis presseuses, lespresses à disques, à bandes, ... (Figure 11). En traitement deslisier, les vis presseuses sont largement utilisées.

2.1.2 Coagulation-floculationEn traitement des eaux résiduaires, la coagulation-floculationest principalement utilisée pour le traitement non pas deseaux mais des boues biologiques (épaississement). En traite-ment des lisiers, la coagulation-floculation est utilisée pouraugmenter les performances de la séparation de phase amont.L’ajout de coagulants dans le lisier permet de déstabiliser lescolloïdes présents dans l’effluent liquide en agissant sur lesdifférents facteurs qui les maintiennent en suspension (solva-tation, forces électrostatiques répulsives entre colloïdes). Enprésence d’une agitation douce, ces particules déchargéesvont rentrer en collision les unes avec les autres et s’agglomé-rer. Les coagulants les plus usités sont des sels de fer et d’alu-minium, produits qui sont aussi utilisés pour la déphosphata-tion chimique.La floculation est assurée par l’ajout de polymères. Ce sont desmolécules à longue chaîne carbonée qui piègent les particuleset qui par des mécanismes successifs d’adsorption et de réti-culation forment des flocs solides (Figure 13). Le choix d’unpolymère se fera non seulement d’après la nature de l’effluentmais aussi d’après la technique avale de séparation de phasequi nécessite, pour être optimale, des conditions précises deviscosité, de résistance mécanique et de taille des flocs.

2.1.3 Retours d’expérience en traitement du lisier2.1.3.1 Etudes laboratoires et terrainsPieters et al. (1999) ont testé différents équipements de sépa-ration de phase du lisier. Les performances, exprimées enpourcentage massique de matières sèches (MS) et dephosphore éliminés de l’effluent liquide, ainsi que les débitspouvant être traités sont présentées dans le tableau 9.

Figure 13 : Formation des flocs

Tableau 9 : Performances de différentsséparateurs de phase testés expérimentalement

D’autres auteurs, ont mis en évidence le bénéfice de l’utilisa-tion de floculants lors d’une séparation de phase par décanta-tion centrifuge (Coillard et Texier, 1994). Dans cette étude, desessais de centrifugation ont été effectués sur un mélange lisier-boues biologiques avec ou sans ajout de floculant. Le débittraité est de 7m3/h. Les résultats obtenus quant à la matièresèche et au phosphore sont présentés dans le tableau 10.

Tableau 10 : Efficacités d’une centrifugeuseavec et sans floculants (Coillard et Texier, 1994).

2.1.3.2 Performances annoncées par les constructeursfrançais

Le tableau 11 présente les performances d’élimination duphosphore de la phase liquide annoncées par les principauxconstructeurs de procédés de traitement physico chimiquedes lisiers recensés en France.

Dans les procédés biologiques de traitement du lisier com-mercialisés en France, l’élimination du phosphore ne dépend

21

�y�y��yyyy

��yy��yy�y

Particuleen suspension

Floculent(polymère)

Filtre Tamis Vis

presse vibrant presseuse

Débit traité (m3/h) 0.20-0.35 1.0 6.5

Éfficacité (%) MS 51 17 26

P2O5 42 3 7

MS (mg/l) P (mg/l)

Entrée (lisier + boues) 36 103 836

Sortie sans polymère 17 695 350

Sortie avec polymère

dose 1 : 0.5 kg/h 10 321 120

dose 2 : 0.3 kg/h 12 696 196

que des séparations de phase amont et/ou aval du réacteurbiologique. Le tableau 12 présente leur efficacité quant à l’éli-mination du phosphore de l’effluent liquide.

Deux procédés actuellement développés sont à distinguer carils permettent à la fois une filtration de volume s’accompa-gnant d’une dégradation biologique des matières contenuesdans le lisier. Il s’agit du procédé biosor (filtration sur tourbe)et Solepur (filtration sur sol).

2.2 DEPHOSPHATATION DU LISIER PAR LES TECHNIQUESMEMBRANAIRES

Les procédés membranaires possèdent l’avantage de conser-ver la valeur fertilisante du lisier en concentrant les élémentsN, P et K dans un faible volume (le rétentat). Ils sont moinsénergivores que les procédés de déshydratation mais deman-dent des équipements pouvant résister à de trés fortes pres-sions. Du fait de leur technicité, ils ont été peu développéspour le traitement du lisier.En France, le procédé Lisikit utilise les techniques membra-naires pour traiter du lisier de porc après un prétraitement parcoagulation-floculation. Les performances rapportées quant àl’épuration du P et du N de la phase liquide sont respective-ment de 98% et 90% (Texier, 1998). Le refus de tamis et lerétentat, qui contiennent les éléments fertilisants, sont ensui-tes stabilisés et compostés. Cependant, aucune réalisation dece procédé à l’échelle d’un élevage n’existe.Une étude laboratoire récente (Pieters et al., 1999) démontreles bonnes performances d’une filière de traitement du lisierde porc utilisant successivement une séparation de phase parfiltration, une étape de microfiltration et une étape d’osmoseinverse. Les auteurs annoncent une concentration enphosphore dans l’effluent épuré comprise entre 2 et 9 mg/l,l’effluent épuré représentant 77% du volume initial de lisiertraité. Cependant aucune solution n’est proposée pour la ges-tion des phases concentrées (refus de tamis, rétentat).Une autre étude laboratoire (Thörneby et al., 1999) portantsur un procédé de traitement du lisier par osmose inversemontre les avantages d’une séparation fécès - urine à la sour-ce plutôt qu’une séparation de phase classique du lisier enamont de la membrane. En effet, une séparation la plus amontpossible réduit la dissolution des produits non digérés conte-nus dans les fécès (cellulose, ...) et par là même la pressionosmotique du liquide à traiter. Ces auteurs annoncent euxaussi de bonnes performances techniques quant à la concen-tration du phosphore et de l’azote par osmose inverse.

2.3 PROCEDE DE DEPHOSPHATATION BIOLOGIQUEDE LISIER

L’élimination du phosphore des lisiers par voie biologique n’aété que peu étudiée jusqu’à présent. Bortone et al. (1992) rap-portent toutefois des observations interessantes sur le devenirdu phosphore dans un procédé de traitement classique dulisier par nitrification/dénitrification. Leurs résultats mettent

22

Principe Elimination du P (%)

Sirven Déshydratation 100

Smelox Séparation de phase (non précisée)

Stripping NH3 20

Oxydation NH3

AVDA Floculation et filtration 98

Précipitation

Agrifiltre Filtration sur paille 80

Type de séparation Elimination

de phase du P(%)

Val’ Epure Vis presseuse 15

Centrifugation avec polymère 75 à 85

Bio armor Vis presseuse 20

Traitement physico chimique 90

Technolyse Centrifugation 70 à 85

Tableau 11 : Elimination du phosphorede la phase liquide de différents procédésde traitement physico-chimique du lisier

(d’après plaquette commerciale constructeur)

Tableau 12 : Elimination du phosphorede la phase liquide de différents procédés

biologiques de traitement du lisier(d’après plaquette commerciale constructeur)

RéacteurAnaérobie/Anoxie

Biofiltre

Bactampon

Boues

8

Figure 14 : Schéma de principe du procédé d’élimination biologique du N et du P du lisier de porc(Bortone et al., 1994)

Le lisier, après une séparation de phase primaire, est envoyé dans unréacteur où il est soumis pendant un temps déterminé à des conditionsd’anaérobiose (relargage des phosphates dans l’effluent) et décanté.Suite à la phase d’anaérobiose, le surnageant chargé en phosphates et enazote ammoniacal est envoyé dans un biofiltre (réacteur en aérobie à bio-masse fixée) où s’effectue la nitrification. En sortie du biofiltre, l’effluentchargé en phosphates et nitrates est recyclé dans la réacteur. Les condi-tions d’anoxie et la présence de matière organique (boues) y favorisentalors la dénitrification tout en permettant l’accumulation des phospha-tes dans les cellules. En fin de cycle, le surnageant est pompé et une par-ties des boues phosphatées est soutirée.

en évidence une accumulation des phosphates sous forme depolyphosphates intracellulaires témoignant de la mise enplace d’une déphosphatation biologique. Suite à ces observa-tions, un procédé à l’échelle laboratoire éliminant l’azote et lephosphore du lisier de porc a été développé et étudié par lesmêmes auteurs (Bortone et al., 1994). Le principe de ce pro-cédé en discontinu est présenté sur la figure 14.Les résultats annoncés par les auteurs dans le cas de réacteursde 5 l traitant 0.75 l/jour de lisier de porc au préalable décan-té sont supérieurs à 90 % pour le carbone organique total, l’a-zote et le phosphore.

Suite à cette étude montrant la faisabilité simultanée des pro-cessus de déphosphatation et de nitrification/dénitrificationdu lisier, d’autres expérimentations ont été effectuées sur lesujet afin de simplifier le procédé. Ainsi, Lee et al. (1997) ontmontré que ladéphosphatation biologique pouvait être réali-sés par simple ajout de lisier au préalable fermenté (10 jours)au démarrage de la phase d’anoxie dans un procédé classiquede traitement biologique du lisier de porc. Ces auteurs annon-cent des efficacités sur l’azote et le phosphore supérieures à90%. Ra et al. (1998), ont par la suite mis en évidence que de

tels procédés réalisant simultanément la nitrification/dénitrifi-cation et la concentration du phosphore dans les boues biolo-giques pouvaient être conduit par mesure du potentiel rédox.

3. CONCLUSION

En l’absence d’une pression réglementaire sur le phosphorerejeté par les élevages, les procédés de traitement du lisier sesont focalisés sur la problématique posée par l’élément azote.Mais la réglementation est en train d’évoluer vers une maîtri-se plus importante des flux phosphorés.

La séparation de phase semble être la technique retenue parles constructeurs français de traitement du lisier car cette tech-nique peut s’adapter aux procédés déjà existant. D’autres pro-cédés mériteraient cependant d’être développés (membranes,déphosphatation biologique).

Les solutions pour éliminer le phosphore de l’effluent liquided’un lisier existent donc. Il reste néanmoins à trouver des filiè-res de gestion des co-produits chargés en phosphore issus deces traitements. ■

23

VTous les procédés de traitement du phosphore produisent unco-produit riche en phosphore. Rejeter ce co-produit sans cesoucier de son devenir équivaut à un simple transfert de pol-lution. Il convient donc de définir une stratégie de gestion desboues issues des procédés de déphosphoration.Dans ce chapitre, les principaux points concernant la régle-mentation des boues d’épuration sont rappelés. Puis, lesteneurs en phosphore de différents types de boues et co-pro-duits sont présentées. Enfin, la valorisation agricole de ces co-produits est étudiée en détail.

1. DEFINITIONS ET CADRE REGLEMENTAIRE

1.1 LES BOUES, UN TERME QUI DESIGNE PLUSIEURSPRODUITS

Les boues d’épuration désignent les sédiments résiduairesrecueillis à différentes étapes de la dépollution des eaux. Ondistingue ainsi les boues primaires, les boues biologiques, lesboues physico-chimiques et les boues tertiaires respective-ment issues des traitements primaires, secondaires biolo-giques, secondaires physico-chimiques et tertiaires des eauxusées (voir annexe 4).

1.2 LE CADRE REGLEMENTAIRELa gestion des boues, produites en installations classées ou enstations d’épuration urbaines, s’inscrit dans un cadre régle-mentaire précis. A l’heure actuelle, les boues issues du traite-ment des lisiers ne sont pas soumises à la réglementation queles boues issues des eaux urbaines et industrielles.

1.2.1 Boues de station d’épurationLes boues de station d’épuration sont actuellement mises endécharge, incinérées ou bien recyclées en agriculture. D’aprèsla loi du 13 juillet 1992, ces boues , ne seront plus admises endécharge à partir de 2002. L’incinération thermique des bouesd’épuration est soumise à la même réglementation que l’inci-nération des ordures ménagères (loi du 19 juillet 1976, arrêtédu 25 janvier 1991). L’épandage des boues de station d’épura-tion urbaine est réglementé par le décret du 8 décembre 1997et l’arrêté du 8 janvier 1998 qui en fixe les prescriptions tech-niques. Dans cette logique réglementaire, l’arrêté du 29 août1988 qui autorisait la commercialisation en tant que fertili-sants des boues de station répondant à la norme NF U44-041est abrogé (arrêté du 2 février 1998).Les principaux points de la réglementation du recyclage agri-cole des boues sont maintenant les suivants:

- les épandages sont réalisés après études préalables etfont l’objet d’un suivi dans un souci de traçabilité,

- les producteurs sont responsables des boues jusqu’àleur élimination,

- la qualité des boues doit garantir leur innocuité (limita-tion des risques sanitaires, des teneurs en éléments tra-ces métalliques et organiques).

Des charges maximales en phosphore épandu peuvent êtreimposées par arrêté préfectoral s’il apparaît nécessaire de ren-forcer la protection des eaux superficielles.

1.2.2 Boues des installations classéesDe même, l’épandage des boues issues du traitement des eauxdes installations classées doit répondre à une réglementation(arrêté du 2 février 1998 modifié par l’arrêté du 18 août 1998)en tout point comparable et compatible avec celles des bouesde stations d’épuration.

1.2.3 Boues issues du traitement du lisierLes boues issues du traitement des lisiers (issues de la sépara-tion de phase, boues biologiques ou physico-chimiques) sontassimilées aux effluents d’élevage et donc soumises à la mêmeréglementation. Cette réglementation indique les distancesd’épandage à respecter et les charges en azote à ne pas dépas-ser (arrêté du 29 février 1992 modifié par les arrêtés du 29mars 1995 et du 1er juillet 1999).Des charges maximales en phosphore épandu peuvent êtreimposées par arrêté préfectoral s’il apparaît nécessaire de ren-forcer la protection des eaux superficielles.

2. TENEURS EN PHOSPHORE DES BOUES

2.1 CAS DES STATIONS D’EPURATION URBAINESLa teneur en phosphore contenue dans les boues de stationd’épuration est très variable et dépend de la filière de trai-tement et des caractéristiques de l’eau usée à traiter. Lateneur moyenne en P2O5 est de 5% en poids sur matièresèche (ADEME, 1996).La même étude bibliographique rapporte que les boues pri-maires sont moins riches en phosphore que les boues secon-daires. L’assimilation du phosphore par les microorganismeslors du traitement biologique permet d’expliquer cette cons-tatation.Différentes études ont mis en évidence des fluctuations dansle temps de la teneur en phosphore des boues d’épuration.Celles-ci sont dues à la conduite de station et aux variations dela qualité de l’eau à traiter.Le traitement subit par les boues est aussi un facteur de varia-tion de leur teneur en phosphore (les procédés de traitementdes boues sont recensés en annexe 4) :

- Une stabilisation biologique va augmenter la teneur enphosphore des boues (diminution de la masse de matiè-re organique tandis que la masse de minéraux resteconstante).

25GESTIONDES BOUES PHOSPHATEES

- Le conditionnement par floculation avec ajout de miné-raux a pour conséquences une diminution de la teneuren phosphore par dilution.

- Le séchage des boues sur lit, en favorisant la percolationdu phosphore soluble, conduit à des boues de moindreteneur en phosphore que le séchage par centrifugation.

Dans le cas particulier d’une déphosphatation biologique, lesboues ne doivent pas être soumises à des conditions d’anaé-robiose sous peine d’un relargage des polyphosphates accu-mulés. L’épaississement doit donc s’effectuer soit par flotta-tion, soit par ajout de chaux.

2.2 CAS DES EFFLUENTS DE PORCHERIESont considérés dans ce paragraphe les différents flux et co-produits qui peuvent être issus des élevages porcins : lisierbrut, compost (méthode Guernevez), lisier déshydraté, bouesprimaires ou refus de tamis, boues biologiques…Le tableau 13, donne les ordres de grandeur des volumesde co-produit issu du traitement de 1 m3 de lisier ainsi queles teneurs en phosphore de ces produits, exprimées eng P2O5/m3 (EDE 29, 1999).

Tableau 13 : Caractéristiques des boueset co-produits.

3. VALORISATION EN AGRICULTURE

La valorisation en agriculture des boues phosphatées apparaîtêtre la solution à privilégier. Toutefois, pour qu’elle soit profi-table et pérenne, l’utilisation de ces boues doit être réalisée defaçon raisonnée. Il faut donc tenir compte des besoins des cul-tures ainsi que de la teneur et de la biodisponibilité duphosphore dans les co-produits qui dépendent largement du

procédé de traitement. Pour illustrer ce propos, une simula-tion de fertilisation par différents effluents de porcherie estproposée à la fin de ce paragraphe.3.1 LES BESOINS DES CULTURESLe tableau 14 présente les besoins et les exportations enphosphore par quelques cultures (d’après tableau de synthèsede l’ ADEME, 1996).

Les teneurs seuils en phosphore dans le sol, mesurées par laméthode Joret-Hebert en fonction du type de sol et de l’exi-gence des cultures, sont présentées dans le tableau 15. Si lateneur en phosphore du sol est supérieure au seuil “impasse”,un apport en phosphore est inutile. Inversement, si la teneuren phosphore du sol est inférieure au seuil “renforcement”,un apport en phosphore supérieur aux exportations estnécessaire.

Pour calculer les doses d’engrais phosphorés, il faut appliquerun coefficient aux exportations qui tienne compte de la teneuren phosphore dans le sol et de la date de la dernière fertilisa-tion (tableau 16).

3.2 BIODISPONIBILITE DU PHOSPHORE DES BOUESL’étude bibliographique de l’ADEME (1996) rapporte que labiodisponibilité du phosphore dans les différents types deboues peut être classée selon :

Boues Floculées Boues Activées Boues Activées

Boues Physico-chimiques Classiques de déphosphatation biologique

26

Volume Teneurs Caractéristique

Co-produit en P2O5

(m3/m3 lisier) (g/l)

Lisier 1 2.6 liquide (5% de MS)

Lisier composté 0,3 7.8 solide (30% MS)

Lisier déshydraté 0,06 43 solide (90% MS)

Refus de tamis 0,08 - 0,15 6.4 solide (30% MS)

Boues biologiques 0,3 - 0,4 5.5 liquide (5% de MS)

Exigence culture Faible Moyenne Forte

Seuil Impasse Renforcement Impasse Renforcement

Argilo-calcaire profond 120 80 120 120

Argilo-calcaire supérieur 150 80 80 140

Limons (argile<20%) 150 100 160 100

Limons argileux 150 100 160 100

Sables 130 60 170 60

Tableau 14 : Prélèvement et exportation dequelques cultures (d’après ADEME, 1996)

Tableau 15 : Teneurs seuils des sols en phosphore (d’après ITCF, 1997)

Rendement Prélèvement Exportation*

(t/ha) (kg P2O5/ha) (kg P2O5/ha)

Blé 4,5 70 50

Orge 4,5 70 45

Maïs 7 90 70

Tournesol 2,5 80 40

Colza 3 100 50

Betterave sucrière 45 80 60

Pomme de terre 35 60 50

* grains, racines, tubercules

V V

adsorbe

Lors d’une déphosphatation biologique, les polyphosphatesaccumulés dans les cellules des microorganismes sont facile-ment hydrolysés en ions orthophosphates. Ceux-ci sont direc-tement assimilables par les végétaux alors que le phosphorecontenu dans des boues activées classiques se trouve princi-palement sous forme d’acides nucléiques non assimilables àcourt terme.

3.3 SIMULATION

3.3.1 ObjectifsL’objectif de cette simulation est de calculer les volumes d’ef-fluents (lisier, boues, compost) à épandre sur une terre culti-vée pour répondre aux besoins des cultures en phosphore.

3.3.2 HypothèsesNous supposerons que les coefficients d’équivalent engraisdes boues biologiques de station d’épuration urbaine(ADEME, 1996) sont valables pour les boues de traitement bio-logique des lisiers.Le tableau 17 présente pour plusieurs co-produits issus destraitements du lisier développés en France, le ratio de concen-tration R, qui représente le volume de co-produit ramené auvolume de lisier brut, les teneurs en N, P et K ainsi que le coef-ficient d’équivalence engrais du phosphore.

Tableau 17 : Caractéristiques des boueset co-produits (ordres de grandeurs,d’après EDE, 1999 et ADEME, 1996).

Les hypothèses sur la culture et le sol sont les suivantes :• Culture moyennement exigeante avec un rendement de 80 q/ha.• Teneur en phosphore du sol comprise entre les seuils

impasse et renforcement.• Fertilisation l’année précédente

3.3.3 Méthode de calculD’après les hypothèses posées, la dose d’acide phosphoriqueà apporter au sol est :

D = 70 kg P2O5 / haP2O5

Le volume de co-produit à épandre sur un hectare pour satis-faire le besoin en P, Vcp est :

DP2O5Vcp = (2 - Ecp) m3 /ha

[P2O5]cp

[P2O5]cp : concentration en acide phosphorique dans le co produit (g/l)

Ecp : cœfficient d’équivalance engrais par rapport à un engrais phosphaté monocalcique.

Le volume de lisier correspondant, Vlcp est :

VcpVlcp = m3 /ha

RR : Facteur de concentration du volume (volume de coproduit rapporté au volume de

lisier)

Les quantités de phosphore, d’azote et de potasse apportéespar le co-produit sont :

QP2O5 = Vpc [P2O5]cp

QN = Vpc [N]cp

QK2O = Vpc [K2O]cp

[N]cp : concentration en azote dans le co produit (g/l)

[K2O]cp : concentration en potasse dans le co produit (g/l)

27

Exigence Nb d’années Coefficientculture sans apport Phosphore Renforcement Impasse

Forte 2 ou plus 2.5 1.51 1.5 1.50 1.5 1.0

Moyenne 2 ou plus 1.5 1.5 1.01 1.5 1.0 1.00 1.2 1.0 0

Faible 2 ou plus 1.2 1.21 ou moins 1.0 0

Tableau 16 : Coefficient multiplicateur des exportations (d’après ITCF, 1997)

Facteur de P2O5 N K2O Eq. engrais

concentration (g/l) (g/l) (g/l) Ecp

R (m3/m3 lisier brut)

Lisier 1 3 4 3 0.85

Lisier composté 0,3 8 6 11 1.00

Lisier déshydraté 0,06 43 67 43 0.30

Refus de tamis 0,1 6 5 1.8 0.85

Boues biologiques 0,4 6 3 2 0.90

3.3.4 RésultatsLe tableau 18 présente les volumes de co-produits à épandrepour satisfaire aux besoins en phosphore de la culture dansles hypothèses de cette simulation. Ce tableau présente aussiles charges en phosphore, en azote et en potasse réellementapportées ainsi que le volume de lisier brut équivalent.

Le lisier brut est un engrais relativement bien équilibré.Cependant, un gros volume est nécessaire pour satisfaire auxbesoins en phosphore. L’exportation hors de l’exploitation dece produit est donc peut rentable.• Le compostage du lisier permet une réduction notable

des volumes à épandre tout en ne multipliant pas les co-produits à gérer. Le compost produit contient toutefois peud’azote par rapport au phosphore.

• La déshydratation du lisier aboutit à la production dedeux effluents : une eau déminéralisée et un produit seccontenant la totalité des minéraux du lisier. L’utilisation dece co-produit sur l’élevage s’avère problématique pourdeux raisons.

- Les faibles volumes nécessaires pour répondre auxbesoins des cultures engendrent des difficultés tech-niques d’épandage de ce produit avec du matériel clas-sique (épandeur à fumier).

- La deshydratation thermique diminue la biodisponibi-lité du phosphore du lisier (Ademe, 1994). Cette faibleefficacité agronomique du phosphore induit dans lecas de la simulation efféctué ici un dépassement de lacharge brute azoté (185 kg N/ha).

Cependant, la déshydratation permet d’optimiser l’exporta-tion du lisier hors de l’élevage en diminuant les volumes àtransporter.• Le tamisage du lisier conduit à deux effluents contenant

les éléments N, P et K qu’il faut gérer séparément. Le refusde tamis, qui contient trop de phosphore par rapport à l’a-

zote et la potasse est facilement exporté hors de l’exploita-tion tandis que le lisier tamisé est géré comme du lisierbrut.

• De même, dans le cas d’un traitement biologique parnitrification/dénitrification sans séparation de phase,deux produits sont à gérer : l’effluent liquide et les bouesbiologiques. Ces deux produits ont de faibles teneurs enazote comparées à leur teneur en phosphore et sont agro-nomiquement déséquilibrés. Les volumes de boues pro-duits sont relativement importants. Aussi, un épaississe-ment, voire une déshydratation, des boues biologiques s’im-pose en vue de leur exportation.

• Dans le cas d’un traitement biologique avec séparationde phase, il faut rajouter la gestion du refus de tamis auxdeux autres produits (boues, lisier traité).

4. CONCLUSION

L’avenir des boues de station d’épuration urbaine se trouvedans leur recyclage en agriculture, sous réserve du respect dela réglementation qui en assure l’innocuité. Les boues et co-produits issus du traitement du lisier sont, quant à eux, sou-mis à la même réglementation que les effluents d’élevage.La teneur et la biodisponibilité du phosphore dans les bouesdépendent des traitements subis par l’eau usée et les boues.On retiendra que les traitements physico-chimiques dimi-nuent la biodisponibilité du phosphore.De même, la valorisation agricole constitue la gestion à privi-légier des co-produits du lisier de porc. Cependant, il appa-raît que les co-produits communément obtenus (boues bio-logiques et compost) ont un déficit d’azote par rapport auphosphore. Pour pouvoir être exportée hors de l’exploita-tion, il serait de plus souhaitable que les volumes de bouesbiologiques soient réduits par épaississement, voire déshy-dratation. ■

28

Volume Volume Charge Charge Charge

à épandre lisier en phosphore en azote en potasse

Vcp (m3/ha) Vlcp (m

3/ha) QP2O5 (kg/ha) QN (kg/ha) QK2O (kg/ha)

Lisier 27 27 81 107 81

Lisier composté 9 30 72 53 99

Lisier déshydraté 3 50 129 185 129

Refus de tamis 13 130 78 67 23

Boues biologiques 13 33 78 38 26

Tableau 18 : Volume à épandre et charges en phosphore, en azote et en potasse correspondantes

VILe phosphore plus que l’azote est le facteur limitant de l’ap-parition de l’eutrophisation des eaux. Bien que l’on constateun ralentissement des proliférations végétales, il existe unevolonté croissante de maîtrise des flux de phosphore. Aprèsles efforts fournis pour diminuer les flux de phosphore direc-tement rejetés dans les eaux (sources ponctuelles), il convientà présent de contrôler la pollution phosphorée diffuse qui estprincipalement d’origine agricole.En effet, actuellement en France, il apparaît que l’agricultureau travers de la fertilisation est le secteur d’activité qui appor-te le plus de phosphore au milieu naturel (sol et eau). Mais enraison de l’exportation par les cultures, le phosphore contenudans les eaux est majoritairement d’origine domestique.Les stations d’épuration urbaines situées en zones sensiblesdoivent traiter la pollution phosphorée. Elles doivent doncêtre équipées d’un système de traitement qui concentre lephosphore dans une phase et l’élimine ainsi de l’eau résiduai-re. Parmi les procédés existants, on retiendra les procédés deprécipitation des phosphates (par des sels de fer, des sels d’a-luminium ou de la chaux) et les procédés de déphosphatationbiologique (concentration du phosphore dans les cellules desboues biologiques).Contrairement aux eaux urbaines où le phosphore est princi-palement sous forme de phosphates dissous, le phosphore dulisier se trouve sous forme particulaire. Il est donc possible dele concentrer par simple séparation de phase. Pour améliorerl’élimination du phosphore de la phase liquide lors du traite-ment du lisier, il est toutefois possible d’utiliser les mêmesprincipes qu’en traitement des eaux résiduaires. Ladéphosphatation biologique peut même apparaître spontané-ment dans des réacteurs de nitrification - dénitrification.Le traitement du phosphore aboutit à la production de deuxproduits : l’un liquide, normalement exempt de phosphore etl’autre, le plus souvent solide où est concentré le phosphore.Contrairement à l’épuration de l’azote, il reste à gérer aprèstraitement ces boues phosphatées. La meilleure solutionconsiste bien sûr à les recycler en agriculture en respectant laréglementation en vigueur.

Cette étude bibliographique laisse apparaître plusieurs ques-tions (liste non exhaustive) :• Quelles sont les quantités de phosphore réellement transfé-

rées du sol vers les eaux ? Quelles sont les régions dont lessols sont saturés en phosphore ?

• Comment peut-on valoriser au mieux les boues riches enphosphore (traitements, modalités d’exportations) ?

• Quelle est l’efficacité agronomique du phosphore dans lesdifférents co-produits issus du traitement du lisier?

La sensibilisation de l’opinion publique aux problèmes desnitrates a permis le développement des procédés de traite-

ment par nitrification/dénitrification, avec comme conséquen-ces négatives un déséquilibre NPK des engrais de ferme pro-duits et une perte de richesse fertilisante. A l’heure actuelle,on se focalise sur la concentration et l’exportation duphosphore. Demain, ce seront de nouveaux enjeux : (sanitai-re, métaux lourds).Aussi, plutôt que de résoudre les problèmes environnemen-taux un à un, il serait souhaitable d’avoir une vision plus glo-bale de la gestion des effluents de porcherie.Et des orientations qui prendraient en compte la probléma-tique environnementale dans son ensemble, restent à explo-rer. ■

29CONCLUSIONSET PERSPECTIVES

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32

SYMBOLES CHIMIQUES

Al : aluminiumFe : ferCa : calciumH2PO4- ,HPO42- ,PO43-: ions phosphatesNO3- : ion nitrateC106H263O110N16P : cellule végétaleCO2 : dioxyde de carboneO2 : dioxygèneNH3 : ammoniacP : phosphoreP2O5 : acide phosphoriqueAl2(SO4)3 18H2O : sulfate d’alumineNa2OAl2O3 : aluminate de soude Al(OH)3 : hydroxyde d’aluminiumAlPO4 : phosphate d’alumineCa(OH)2 : chauxCa(PO4H)2, Ca3(PO4)2 : phosphates de calcium

ABREVIATION

ADN : Acide DésoxyriboriNucléiqueARN : Acide RiboNucléiqueATP : Adénosine TriPhosphateIFEN : Institut Français de l’EnvironnementRNDE : Réseau National des Données sur l’EauICPE : Installations Classées pour Protection de l’EnvironnementMES : Matières En SuspensionDBO5 : Demande Biologique en Oxygène à 5 joursDCO : Demande Chimique en OxygèneCORPEN : Comité d’Orientation pour la Réduction de laPollution des Eaux par les Nitrates, les Phosphates et les pro-duits Phytosanitaires provenant des activités agricolesDRIRE : Direction Régionale de l’Industrie, de la Recherche et del’EnvironnementMO : Matière OrganiqueAGV : Acide Gras VolatilPHA : PolyHydroxyAlcanoatePolyP : PolyPhosphateMS : Matières SèchesNTK : Azote Total Kjeldhal

0 50�� 200 km

�Pollution de l'eau par le phosphoreet proliférations végétales

Fond cartographique : IGN.Traitement des données : Office International de l'Eau (BNDE)

Absence de proliférationProliférations faiblesProliférations moyennesProliférations fortesProliférations très fortes

Eau peu polluéePollution faiblePollution moyennePollution fortePollution très forte

ANNEXE 1 :QUALITÉ DES COURS D’EAU(1996)

Tableau 26 : Flux de phosphoreissus de l’élevage de volailles par région

Rejets bruts Rejets % Surface(1000 T P2O5/an) (kg P2O5/an/km2)

Bretagne 35,63 1513,21Pays de la Loire 17,14 1011,57Aquitaine 3,78 304,20Nord Pas de Calais 1,83 211,02Midi Pyrénées 2,98 169,65Rhône Alpes 5,29 164,82Centre 3,85 141,67Poitou Charente 4,14 91,22Ile de France 0,74 89,73Auvergne 1,32 68,21Alsace 0,78 64,73Languedoc Roussillon 1,42 55,00Bourgogne 1,32 51,46Basse Normandie 1,75 44,80Picardie 1,15 44,38Haute Normandie 0,76 23,92Lorraine 0,35 21,30Champagne Ardenne 0,75 18,13Provence Alpes Côtes d’Azur 0,53 16,87Limousin 0,19 15,66Franche Comté 0,23 8,38Corse 0,09 1,97TOTAL 86,02 -

Tableau 27 : Flux de phosphoreissus des rejets domestiques par région


Ile-de-France 36,99 3079,39Nord-Pas-de-Calais 13,40 1079,34Alsace 5,73 691,79Haute-Normandie 5,97 484,29Provence-Alpes-Côte d'Azur 14,97 476,87Rhône-Alpes 18,88 432,04Bretagne 9,61 353,33Pays de la Loire 10,61 330,72Lorraine 7,73 328,18Picardie 6,25 322,17Languedoc-Roussillon 7,57 276,66Basse-Normandie 4,75 270,34Aquitaine 9,67 234,02Franche-Comté 3,74 230,74Poitou-Charentes 5,44 210,93Centre 8,21 209,68Midi-Pyrénées 8,43 185,82Champagne-Ardenne 4,52 176,56Bourgogne 5,44 172,16Auvergne 4,40 169,04Limousin 2,40 141,91Corse 0,88 100,93TOTAL 195,58 -

Tableau 28 : Flux de phosphored’origine industrielle par région (données DRIRE)


Ile-de-France 1,55 129,04Haute-Normandie 0,63 51,54Basse-Normandie 0,48 27,52Nord-Pas-de-Calais 0,27 22,13Pays de la Loire 0,63 19,71Bretagne 0,50 18,24Rhône-Alpes 0,61 14,02Franche-Comté 0,20 12,24Alsace 0,05 5,45Languedoc-Roussillon 0,08 2,75Lorraine 0,06 2,64Auvergne 0,06 2,12Poitou-Charentes 0,05 2,04Bourgogne 0,05 1,73Aquitaine 0,04 0,97Centre 0,01 0,34Champagne-Ardenne 0,00 0,00Corse 0,00 0,00Limousin 0,00 0,00Midi-Pyrénées 0,00 0,00Picardie 0,00 0,00Provence-Alpes-Côte d'Azur 0,00 0,00TOTAL 5,28 -

Tableau 29 : Flux de phosphore d’origine industriellepar région (données Agence de l’Eau)


Ile-de-France 3,35 278,54Alsace 2,22 268,50Nord-Pas-de-Calais 2,33 187,77Rhône-Alpes 5,69 130,22Haute-Normandie 1,40 114,01Pays de la Loire 2,86 89,21Lorraine 2,05 87,07Bretagne 2,27 83,29Picardie 1,54 79,50Basse-Normandie 1,16 65,89Franche-Comté 0,94 57,79Provence-Alpes-Côte d'Azur 1,59 50,64Champagne-Ardenne 1,02 39,76Aquitaine 1,54 37,37Bourgogne 1,13 35,80Poitou-Charentes 0,89 34,33Languedoc-Roussillon 0,93 33,91Midi-Pyrénées 1,52 33,49Auvergne 0,85 32,56Limousin 0,51 29,82Centre 1,13 28,84Corse 0,02 2,28TOTAL 36,93

Tableau 22 : Quantités de P apportées au solpar les engrais chimiques


Aquitaine 263,44 6377,22Champagne-Ardenne 147,45 5758,39Poitou-Charentes 147,10 5699,41Languedoc-Roussillon 142,89 5219,51Alsace 42,55 5139,1Picardie 95,78 4937,4Centre 191,54 4892,45Ile-de-France 57,07 4751,24Provence-Alpes-Côte d'Azur 127,99 4076,24Nord-Pas-de-Calais 49,63 3997,98Midi-Pyrénées 178,30 3931,82Haute-Normandie 48,01 3897,64Bourgogne 122,79 3887,87Lorraine 81,87 3476,89Bretagne 84,59 3108,96Rhône-Alpes 129,023 2952,62Pays de la Loire 93,05 2900,46Basse-Normandie 44,62 2536,6Franche-Comté 38,80 2395,04Auvergne 56,73 2180,81Limousin 32,36 1909,77Corse 1,74 200,96TOTAL 2 177,33 -

Tableau 23 : Flux de phosphoreissus de l’élevage porcin par région


Bretagne 42,33 1555,64Pays de la Loire 8,74 338,81Nord Pas de Calais 2,77 223,01Basse Normandie 2,92 165,99Poitou Charente 1,69 86,94Haute Normandie 0,94 76,68Centre 1,81 70,68Aquitaine 2,61 63,13Auvergne 1,53 58,90Alsace 0,47 56,91Midi Pyrénées 2,57 56,72Rhône Alpes 2,20 50,43Franche Comté 0,66 40,65Bourgogne 1,08 34,32Limousin 0,87 31,75Lorraine 0,52 30,78Picardie 0,91 29,09Corse 0,17 19,92Champagne Ardenne 0,76 19,29Languedoc Roussillon 0,33 13,84Provence Alpes Côte d’Azur 0,26 8,25Ile de France 0,05 4,44TOTAL 76,21 -

Tableau 24 : Flux de phosphore issusde l’élevage bovin par région


Pays de la Loire 61,93 3655,76Bretagne 53,54 2273,96Nord Pas de Calais 17,59 2026,22Limousin 22,60 1834,33Auvergne 35,12 1810,66Midi Pyrénées 29,35 1668,47Aquitaine 18,48 1488,78Lorraine 22,78 1406,25Bourgogne 27,90 1089,48Basse Normandie 41,24 1053,46Rhône Alpes 25,71 801,34Franche Comté 15,39 562,21Haute Normandie 16,37 518,23Picardie 13,34 512,80Centre 13,93 511,81Poitou Charente 17,59 387,83Alsace 44,00 366,30Champagne Ardenne 14,37 347,89Languedoc Roussillon 3,95 152,95Ile de France 0,77 92,89Provence Alpes Côte d'Azur 1,41 44,81Corse 1,64 37,63TOTAL 459,40 -

Tableau 25 : Flux de phosphoreissus de l’élevage des ovins


Midi Pyrénées 11,59 659,21Limousin 4,54 368,76Aquitaine 4,53 365,17Auvergne 3,75 193,40Provence Alpes Côte d'Azur 4,25 135,39Poitou Charente 5,64 124,28Lorraine 1,41 87,16Languedoc Roussillon 2,17 83,92Rhône Alpes 2,48 77,33Bourgogne 1,90 74,08Pays de la Loire 1,21 71,26Centre 1,52 55,78Nord Pas de Calais 0,33 38,43Bretagne 0,71 30,27Basse Normandie 0,99 25,29Picardie 0,56 21,71Alsace 0,24 20,30Champagne Ardenne 0,83 20,03Haute Normandie 0,55 17,37Corse 0,72 16,47Franche Comté 0,42 15,25Ile de France 0,10 12,45TOTAL 50,45 -

ANNEXE 2 :

FLUX DE PHOSPHORE APPORTÉS AU MILIEURÉGION PAR RÉGION

Polluant Unité Flux seuil

Arsenic kg/jour 0,02

Azote kg N/jour 150

Cadmium kg/jour 0,01

Chrome kg/jour 0,3

Cuivre kg/jour 0,1

Cyanures kg/jour 0,02

DCO kg/jour 1000

Fluor kg/jour 8

Mercure kg/an 1

MES kg/jour 900

Nickel kg/jour 0,06

Phénols kg/jour 1

Phosphore kg P/jour 15

Plomb kg/jour 0,03

Zinc kg/jour 0,3

ANNEXE 3 :SEUILS DE COLLECTE DES DONNÉES EAUX RÉSIDUAIRES DESINSTALLATIONS CLASSÉES

ANNEXE 4 :FILIÈRES CLASSIQUESD’ASSAINISSEMENTDES EAUX USÉES

Traitements secondairesBiologiques Physico-chimiquesBoues activées FloculationLits bactériens CoagulationLagunage Décantation

Flottation

Traitements primairesNeutralisationFlottationDécantationFiltration

Traitements des boues

DigestionEpaississementFiltrationCentrifugationLagunage ou lit de séchage

IncinérationEpandageDécharge

PrétraitementsDégrillageDessablageDéshuilageTamisage

Traitements tertiairesCoagulationDécantationFiltrationAbsorption sur charbon actifEchanges d'ionsMembranes

Boues

Eauxusées

Boues

Boues

Eaux épurées

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