Analyse de cycle de vie appliquée aux systèmes de traitement des eaux usées

260 Pages·2016·1.52 MB·French

AVERTISSEMENT

Ce document est le fruit d'un long travail approuvé par le jury de
soutenance et mis à disposition de l'ensemble de la
communauté universitaire élargie.

Il est soumis à la propriété intellectuelle de l'auteur. Ceci
implique une obligation de citation et de référencement lors de
l’utilisation de ce document.

D'autre part, toute contrefaçon, plagiat, reproduction illicite
encourt une poursuite pénale.

Contact : [email protected]

LIENS

Code de la Propriété Intellectuelle. articles L 122. 4
Code de la Propriété Intellectuelle. articles L 335.2- L 335.10
http://www.cfcopies.com/V2/leg/leg_droi.php
http://www.culture.gouv.fr/culture/infos-pratiques/droits/protection.htm
École Nationale Supérieure des Industries Chimiques

Institut National École Doctorale RP2E
Polytechnique de Lorraine

Analyse de cycle de vie
appliquée aux systèmes
de traitement des eaux usées

THESE

Présentée et soutenue publiquement le 4 janvier 2006

pour l'obtention du

Doctorat de l'Institut National Polytechnique de Lorraine
(spécialité Génie des Procédés et des Produits)

par

Sébastien Renou

Ingénieur ISIM
Composition du Jury

Président : Prof. M. SARDIN

Rapporteurs: Prof. A. GRASMICK
Prof. O. JOLLIET

Examinateurs: Prof. P. ROUSSEAUX
Dr. M.N. PONS
Dr. J.S. THOMAS

Invité : F. LAURANS

Laboratoire des Sciences du Génie Chimique - CNRS - UPR 6811
Laboratoire des Sciences du Génie Chimique - CNRS - UPR 6811
Analyse de cycle de vie appliquée aux systèmes de traitement des eaux usées

REMERCIEMENTS

Ce travail n’a pu être réalisé que grâce au concours de différentes personnes et organismes
que je tiens à remercier ici.

Je remercie la DRDT, Anjou Recherche de Veolia Environnement et le Laboratoire des
Sciences du Génie Chimique de l’INPL (Institut National Polytechnique de Lorraine) de
Nancy, qui ont été à l’origine de ce travail, l’ANRT (Association Nationale de la Recherche
Technique) qui a permis cette collaboration sous la forme d’une Convention Industrielle de
Formation par la Recherche (CIFRE).

Mes remerciements iront tout particulièrement à Marie Noëlle PONS, qui a su me guider dans
cette recherche, et à Jean-Sébastien THOMAS, qui a permis d’accorder ce travail avec les
exigences du monde industriel. Je les remercie particulièrement pour leur confiance et leur
encadrement.

Je remercie également les nombreuses personnes du groupe Veolia Environnement qui ont
pris du temps pour ce projet, m’ont fait part de leur expérience et/ou m’ont transmis des
données parfois sensibles. Je dois citer notamment les exploitants de la Générale des Eaux,
d’OTV Exploitation et d’Onyx pour les études de sites, les experts techniques des centres de
recherche de Veolia, Anjou Recherche et le CREED, de la Direction Technique de Veolia
Water, des experts d’Onyx et de SEDE Environnement pour m’avoir orienté sur le plan
technique.

Enfin je remercie les équipes auxquelles j’ai été intégré durant ces trois années dans les
locaux du LSGC, d’Anjou Recherche et de la DRDT et qui ont contribué à une chaleureuse
ambiance de travail : Virginie, Sébastien, Denis, Renaud, Jean-Sébastien, Christelle,
Emmanuelle, François, Mathieu, Céline, Julie, Emmanuel, Magali, Isabelle, Frédéric…

Enfin, un grand merci à Laure, mon épouse, qui m’a supporté et m’a encouragé avec patience,
même dans les moments délicats.

1 / 258
Analyse de cycle de vie appliquée aux systèmes de traitement des eaux usées

RESUME

Les performances environnementales des systèmes de traitement des eaux usées sont
aujourd’hui mal évaluées. Une méthode exhaustive et fiable est donc nécessaire pour orienter
les décideurs sur le plan environnemental. L’analyse de cycle de vie (ACV) a été choisie pour
répondre à cette problématique.

L’ACV a été testée. Elle apparaît comme un outil incontournable pour étudier les impacts
environnementaux des systèmes de traitement des eaux. Dans le cadre du développement de
la méthode recherchée, il semble que l’association de plusieurs méthodologies soit le meilleur
compromis : l’ACV pour les impacts globaux et d’autres outils pour évaluer les impacts
locaux.

Enfin, un logiciel d’évaluation environnementale a été développé pour comparer les filières de
traitement et de valorisation des boues urbaines. Deux impacts y sont évalués : l’énergie et
l’effet de serre. Le contenu de cet outil, les phases de son développement ainsi qu’un exemple
d’application sont présentés. Cet outil devrait rendre l’ACV plus accessible aux acteurs de
l’assainissement.

2 / 258
Analyse de cycle de vie appliquée aux systèmes de traitement des eaux usées

ABSTRACT

Nowadays, the environmental performances of wastewater treatment systems are not properly
analyzed. Thus, the development of an exhaustive and reliable method is needed to help
stakeholders to choose the best environmental solutions. Life cycle assessment (LCA) was
selected as a starting point to answer this problem.

LCA has been tested. This tool is essential to analyze the environmental performances of
wastewater treatment systems. In order to fulfill our goal, the best compromise seems to be
the association of LCA, to assess global impacts, with others methodologies, to assess local
impacts.

Finally, a software has been developed to compare urban sludge treatment and recovering
process trains. Two impacts, energy and greenhouse effect, are currently included in. The
software and its development steps are described and illustrated through two case studies.
This tool has made LCA easier to apply and more useful to wastewater field stakeholders.
3 / 258
Analyse de cycle de vie appliquée aux systèmes de traitement des eaux usées

GLOSSAIRE

ACV : analyse de cycle de vie
ADEME : agence de l’environnement et de la maîtrise de l’énergie
AFNOR : association française de normalisation
AFSSE : agence française de sécurité sanitaire environnementale
BH : boue humide ou boue brute
CET : centre d’enfouissement technique (appelé encore CSD ou ISD)
COV : composés organiques volatils
CSD : centre de stockage des déchets (appelé encore CET ou ISD)
CREED : centre de recherche sur l’environnement, l’énergie et les déchets (Veolia)
DBO : demande biologique en oxygène
DCO : demande chimique en oxygène
DRIRE : directions régionales de l’industrie, de la recherche et de l’environnement
ESB : encéphalopathie spongiforme bovine
ETM : éléments traces métalliques
ETO : éléments traces organiques
GES : gaz à effet de serre
GIEC : groupe intergouvernemental sur l’évolution du climat
HAP : hydrocarbures aromatiques polycycliques
INERIS : institut national de l’environnement industriel et des risques
IPCC : intergovernmental panel on climate change
IPPC : integrated pollution prevention and control.
ISD : installation de stockage des déchets (appelée encore CET ou CSD)
ISO : international organization for standardization
LAEPSI : laboratoire d’analyse environnementale des procédés et des systèmes industriels
LCA : life cycle assessment
LCIA : life cycle impact assessment
MES : matières en suspension
MS : matières sèches
MV : matières volatiles
OCDE : organisation de coopération et de développement économique
OVH : oxydation par voie humide
PCB : polychlorobiphényles
PCDD : dibenzodioxines polychlorées
PCDF : dibenzofuranes polychlorées
PME : petites et moyennes entreprises
SETAC : Society of Environmental Toxicology and Chemistry
STEP : station d’épuration
UV : ultra violet
4 / 258
Analyse de cycle de vie appliquée aux systèmes de traitement des eaux usées

SOMMAIRE

REMERCIEMENTS............................................................................................................1
RESUME...............................................................................................................................2
ABSTRACT..........................................................................................................................3
GLOSSAIRE.........................................................................................................................4
SOMMAIRE.........................................................................................................................5
INTRODUCTION..............................................................................................................10
PARTIE I. LE CHOIX DE L’ACV COMME METHODE D’EVALUATION
ENVIRONNEMENTALE DES SYSTEMES D’EPURATION DES EAUX USEES.......14
I. LES SYSTEMES D’ASSAINISSEMENT...............................................................15
1/ GENERALITES.................................................................................................................15
2/ LES STATIONS D’EPURATION ET LES PROCEDES DE TRAITEMENT...........16
2.1/ Le traitement des eaux usées.......................................................................................17
2.1.1/ Les prétraitements...............................................................................................17
2.1.2/ Le traitement primaire........................................................................................18
2.1.3/ Le traitement secondaire.....................................................................................18
2.1.4/ Le traitement tertiaire.........................................................................................21
2.2/ Le traitement des boues...............................................................................................22
2.3/ Les procédés annexes..................................................................................................28
3/ LA REGLEMENTATION POUR LA PROTECTION DE L’ENVIRONNEMENT..30
II. LES IMPACTS SUR L’ENVIRONNEMENT ET LEURS METHODES
D’EVALUATION...............................................................................................................33
1/ DEFINITIONS...................................................................................................................33
2/ LES IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX.....................................................................34
2.1/ L’effet de serre............................................................................................................34
2.2/ L’épuisement des ressources naturelles......................................................................35
2.3/ L’acidification.............................................................................................................37
2.4/ La santé des populations.............................................................................................37
2.5/ La pollution des milieux naturels et des écosystèmes.................................................39
2.5.1/ L’eutrophisation.................................................................................................39
2.5.2/ L’écotoxicité.......................................................................................................41
2.5.3/ Les usages du milieu naturel..............................................................................41
2.6/ Les nuisances...............................................................................................................42
2.6.1/ Les odeurs...........................................................................................................42
2.6.2/ Le bruit...............................................................................................................43
2.6.3/ Le trafic routier...................................................................................................44
2.7/ Conclusion sur les impacts environnementaux...........................................................44
3/ LES METHODES D’EVALUATION ENVIRONNEMENTALE................................45
3.1/ Présentation des différentes méthodes........................................................................45
3.2/ Synthèse sur les méthodes d’évaluation environnementale........................................50
5 / 258
Analyse de cycle de vie appliquée aux systèmes de traitement des eaux usées

4/ CHOIX D’UN METHODE D’EVALUATION ENVIRONNEMENTALE.................51
4.1/ Objectifs de la méthode et critères de sélection..........................................................51
4.2/ Choix de la méthode....................................................................................................52
III. LA METHODOLOGIE D’ANALYSE DE CYCLE DE VIE............................53
1/ PRESENTATION DE L’ANALYSE DE CYCLE DE VIE...........................................53
1.1/ Définition....................................................................................................................53
1.2/ Une méthode normée..................................................................................................53
1.3/ Le concept du cycle de vie..........................................................................................54
2/ LES ETAPES D’UNE ETUDE ACV...............................................................................55
2.1/ La définition des objectifs...........................................................................................55
2.2/ La définition du champ de l’étude...............................................................................56
2.3/ L’analyse de l’inventaire.............................................................................................58
2.4/ L’évaluation des impacts.............................................................................................58
2.5/ L’interprétation............................................................................................................61
3/ LES METHODES D’EVALUATION DES IMPACTS..................................................61
4/ LES LIMITES DE L’ACV................................................................................................64
5/ LES APPLICATIONS DE L’ACV...................................................................................64
6/ L’ANALYSE DE CYCLE DE VIE APPLIQUEE AU TRAITEMENT DES EAUX
USEES..........................................................................................................................................66
6.1/ Particularités de l’ACV appliquée aux procédés.........................................................66
6.2/ Particularités du domaine du traitement des eaux.......................................................67
6.3/ Les études ACV en traitement des eaux usées............................................................68
IV. CONCLUSION.......................................................................................................72
PARTIE II. EVALUATION DE LA METHODOLOGIE ACV APPLIQUEE AUX
SYSTEMES D’EPURATION DES EAUX USEES..............................................................74
I. PRESENTATION DE L’ETUDE DE CAS DE L’ACV D’UNE STATION
D’EPURATION..................................................................................................................76
1/ DESCRIPTION DE L’USINE D’EPURATION.............................................................76
2/ UNITE FONCTIONNELLE.............................................................................................77
3/ FRONTIERES DU SYSTEME ETUDIE........................................................................78
4/ LOGICIEL ET METHODES...........................................................................................79
5/ IMPACTS EVALUES.......................................................................................................79
6/ HYPOTHESES ET DONNEES........................................................................................80
6.1/ Hypothèses sur la station.............................................................................................80
6.2/ Hypothèses sur les autres modules..............................................................................82
II. RESULTATS..........................................................................................................85
1/ ACIDIFICATION..............................................................................................................86
1.1/ Résultats......................................................................................................................86
1.2/ Analyse de sensibilité sur l’ammoniac........................................................................87
2/ EFFET DE SERRE............................................................................................................89
2.1/ Résultats......................................................................................................................89
2.2/ Analyse de sensibilité..................................................................................................91
6 / 258
Analyse de cycle de vie appliquée aux systèmes de traitement des eaux usées

2.2.1/ Influence du CO biogène...................................................................................91
2
2.2.2/ Influence du protoxyde d’azote N O..................................................................93
2
2.2.3/ Influence de la distance pour les transports........................................................95
2.2.4/ Influence du mode de production énergétique....................................................96
3/ EUTROPHISATION.........................................................................................................98
3.1/ Résultats......................................................................................................................98
3.2/ Analyse de sensibilité................................................................................................100
4/ RESSOURCES.................................................................................................................101
4.1/ Résultats....................................................................................................................101
5/ TOXICITE........................................................................................................................103
5.1/ Respect de la réglementation.....................................................................................103
5.1.1/ Rejet de l’eau traitée.........................................................................................103
5.1.2/ Epandage des boues..........................................................................................104
5.2/ Résultats....................................................................................................................104
6/ COMPARAISON DES ETAPES DE CONSTRUCTION, D’EXPLOITATION ET DE
DEMANTELEMENT..............................................................................................................107
6.1/ Hypothèses................................................................................................................107
6.2/ Résultats....................................................................................................................107
III. DISCUSSION SUR LES ASPECTS METHODOLOGIQUES.......................109
1/ PARTICULARITES METHODOLOGIQUES DE L’ACV EN TRAITEMENT DES
EAUX.........................................................................................................................................110
1.1/ Structure du cycle de vie...........................................................................................110
1.2/ Particularités des procédés de traitement d’eau........................................................114
1.3/ Particularités du produit traité...................................................................................115
2/ CHAMP DE L’ETUDE...................................................................................................117
2.1/ Caractérisation de l’unité fonctionnelle....................................................................117
2.2/ Frontières du système et modélisation des scénarios................................................121
2.3/ Qualité des données...................................................................................................122
3/ ANALYSE DE COEFFICIENTS DES METHODES DE CALCULS DE L’IMPACTS
TOXICITE................................................................................................................................125
4/ LE PROBLEME DE LA CONSTRUCTION ET DU DEMANTELEMENT............128
4.1/ Les problèmes liés à la construction..........................................................................128
4.1.1/ 1ère étape : collecte des données........................................................................128
4.1.2/ 2ème étape : variabilité des bases de données....................................................130
4.2/ Problèmes liés au démantèlement.............................................................................135
4.3/ Intérêt d’étudier les phases de construction et de démantèlement............................136
IV. SYNTHESE ET DISCUSSION...........................................................................139
1/ SYNTHESE DE L’ETUDE DE CAS.............................................................................139
2/ DISCUSSION...................................................................................................................143

7 / 258