Dimensionnement de la ligne de production

1. Dimensionnement de la ligne de production de compost des boues d'épuration

1.1. Réception des matières premières

  • Réception

Lors de la réception des matières premières au niveau de la plate-forme, il est indispensable de procéder à une pesée des produits entrants. Cette pesée se fait au niveau d'un pont-bascule, et présente l'intérêt de s'appliquer à tous les types de déchets entrants sur la plate-forme.

L'objectif est alors de relever sur bordereau :

  • le volume ou le poids du chargement
  • l'identification du véhicule
  • la nature et l'origine du chargement

Un prélèvement d'échantillon est aussi effectué pour subir des analyses laboratoires, respectant les démarches qualité décrites dans les normes NF 44-095.

Ces différentes informations remplissent un double objectif de traçabilité. Elles permettent à la fois de gérer les quantités de flux entrants ainsi que de contrôler la qualité des déchets afin d'assurer une qualité optimale du compost en sortie.

  • Stockage des boues

Une fois réceptionnées, les boues sont déchargées dans une trémie de stockage couverte et ventilée afin d'éviter toute nuisance olfactive. Les boues sont ensuite pompées depuis la trémie jusqu'au mélangeur, ce qui permet d'éviter tout contact direct entre les boues et les opérateurs.

Elle fait donc $3\times14=42 m^3$, de 1 m de hauteur, et de surface au sol $6\times7=42m^2$.

  • Stockage des déchets verts bruts

Le stockage des déchets se fait en 2 temps. Une première aire de stockage abritée permet de stocker les déchets verts bruts. D'après les résultats obtenus dans l'étude des gisements de déchets, nous nous basons sur un flux d'entrée moyen journalier de 87,5 m3 de déchets verts bruts. Cependant, compte tenu des fortes variations journalières relatives à la fréquence de collecte et des variations saisonnières relatives à l'occurence de cyclones (cf ADEME, 2001) il est nécessaire de prévoir des volumes variant du simple au quintuple (cf INDDIGO, 2011).

Pour cette raison, nous décidons de dimensionner la surface de stockage des déchets verts pour une production égale à 5 fois le flux d'entrée moyen journalier attendu, soit 437,5 m3.

Avec des andains de taille standard recommandée par l'ADEME (Hauteur = 2 m, Largeur = 4 m), et en prenant en compte la surface à réserver pour les manoeuvres et la circulation, on obtient une surface de stockage des déchets bruts de 300 m2 environ.

1.2. Broyage des déchets verts et stockage

Les déchets verts étant pour la plupart trop gros pour être mélangés tels quels aux boues d'épuration, il est nécessaire de les broyer afin d'obtenir des déchets verts de diamètre acceptable ($\varnothing < 10cm$). De plus, le broyage permet aussi une réduction de volume conséquente, ce qui permet de lisser les variations de flux de déchets verts en entrée.

Concernant le type de broyeur, on priviliégie un broyeur à marteaux. Les broyeurs à marteaux, par rapport aux gyrobroyeurs ou aux broyeurs à couteau, présentent en effet une bonne tolérence aux impuretés, une bonne capacité de défibrage favorisant la dégradation des matières ligneuses ainsi qu'un système mécanique permettant de prévenir les éventuels bourrages (cf ADEME, 2001). Ils sont donc les plus pertinents à utiliser à échelle industrielle.

Le choix de la puissance du broyeur se fait ensuite en fonction du volume de broyat que l'on souhaite obtenir.

Pour le cas d'un broyeur affecté à notre seule unité, il est recommandé de ne pas dépasser 700 h/an d'utilisation. Les broyeurs à marteaux ne présentant pas des débits inférieurs à 30 m3/h, on choisit donc un broyeur de 30 m3/h d'une puissance de 200 kW. Ce léger surdimensionnement permettra d'anticiper les tonnages risquant d'évoluer au cours de la durée de vie de la plate-forme.

Le broyat est ensuite stocké sur une aire de stockage couverte. En respectant les mêmes dimensions pour les andains et en visant une surface permettant de stocker 5 fois le volume journalier moyen de déchets verts, on obtient une aire de stockage de 200 m² environ.

1.3. Mélange et convoyage vers les casiers de compostage

Le broyat de déchets verts et les boues sont ensuite mélangés dans un mélangeur de compostage.

On part de l'hypothèse que la quantité de mélange à traiter quotidiennement doit pouvoir être mélangée en 1/2 journée, afin de faciliter la logistique. Idéalement, le mélangeur aura une cuve de 10 m3 et un moteur de 85 kW présentant un débit de 30 m3 mélange/h, ce qui permet de traiter la production journalière en 2 heures environ.

1.4. Gestion du compostage

  • Gestion en lots

La suite de la conduite de la plate-forme va être dictée par l'exigence de traçabilité stricte liée à l'homologation du compost en tant que produit normalisé. En effet, il est indispensable de gérer l'ensemble du processus de compostage en différents lots, physiquement identifiables tout au long du processus. Il doit être possible de pouvoir faire le lien entre les caractéristiques des déchets entrants, les traitements qu'ils ont suivi et les caractéristiques du compost en sortie.

Toujours dans un souci de logistique, chaque lot représente la production de 7 jours de boues. En appliquant les principes généraux de la méthode Beltsville (cf Mustin, 1999), le compost subit les opérations suivantes :

  • Une phase active de 5 semaines en casiers couverts comprenant
    • 3 semaines de fermentation en ventilation forcée
    • 2 semaines de maturation en ventilation forcée
  • Une phase de finition de 2 semaines en casiers couverts

On construit un casier pour chaque semaine du processus, de telle sorte que l'on puisse suivre facilement l'évolution de chaque lot (voir taleau ci-dessous).

Conduite des lots de compost le long du processus de compostage

De cette façon, chaque semaine et de façon continue, un nouveau lot est envoyé vers le criblage puis l'aire de stockage de compost final.

Les casiers de fermentation/maturation sont dimensionnés pour recevoir des volumes de 400,0 m3 de mélange. Les andains ne devant pas dépasser 3 m de hauteur, les casiers ont une capacité de 432 m3, avec 18 m de long, 8 m de large et 5 m de haut (la hauteur maximale de l'andain plus 2 m pour permettre la manipulation des andains).

L'emprise au sol totale des casiers de fermentation/maturation est donc de 864 m² arrondi à 870 m², en prenant 20% de surface en plus nécessaires à la circulation.

Parallèlement, les casiers de finition accueillent des andains dont le volume a diminué de 42,2% selon les résultats de la modélisation. Pour accueillir les andains de 231 m3, ils ont donc une capacité de 240 m3 avec 10 m de long, 8 m de large et 5 m de haut.

L'emprise au sol totale des casiers de finition est comme précédemment estimée à 192 m² arrondie à 200 m².

  • Système d'aération des andains et suivi du taux d'O2

Le système de conduite que nous avons choisi pour la plate-forme de compostage est un système de compostage "intensif" reposant sur l'aération forcée des andains. Ce type d'aération se justifie par le fait que le compostage est effectué en partie sur des boues, substrat hautement fermentescible (cf Mustin, 1999). De plus, l'aération forcée choisie est positive. Ce choix est motivé par le fait que l'aération par aspiration présente trop d'inconvénients, parmi lesquels une circulation hétérogène de l'O2 (cf Technique de l'ingénieur, 2010) et une perte de vitesse de l'air significative. L'aération forcée par insuflation présente comme inconvénient une diminution de la température au niveau des buses d'aération mais on suppose que les températures moyennes élevées et relativement constantes de la Réunion permettent de négliger cette variation.

Pour notre modélisation des processus de compostage, nous avions imposé une aération de 1 m3/tMS0/min d'air mais cette aération étant près de 100 fois supérieure à la consommation d'O2 effectivement observée au cours de la modéliation, nous avons décidé de prendre une aération moyenne continue de 0,5 m3/tMS0/min d'air. D'après la bibliographie (cf Mustin, 1999), la phase de fermentation consomme 90% de la demande en O2 totale tandis que la phase de maturation consomme les 10% restants. On obtient les débits suivants :

Sur les 3 premières semaines de fermentation, il sera nécessaire d'apporter 2440 m3/h et sur les 2 semaines de maturation seulement 680 m3/h. Sachant qu'il est conseillé de surestimer l'apport d'air de 30% environ par rapport aux débits calculés (cf Mustin, 1999), nous avons décidé de prendre une pompe délivrant un débit horaire de 3 200 m3/h.

De plus, en estimant une perte de charge moyenne de 125 cm C.E. causée par le réseau de tuyaux et par les pores de l'andain, on choisit en conséquence d'installer pour chacun des 5 casiers de phase active une pompe de 12 CV de puissance.

  • Finition

A l'issue des 5 semaines de phase active, les andains sont déplacés vers les casiers de finition. Cette phase permet principalement de récupérer et de traiter les lixiviats, ainsi que de permettre un éventuel séchage passif des andains.

  • Suivi de l'humidité et arrosage des andains

La modélisation que nous avons utilisée se base sur l'hypothèse que l'humidité de l'andain est de 70% et reste constante tout au long de la phase active. Dans notre modèle, nous avons modélisé la variation de l'eau due à la production d'eau et à la vaporisation sans prendre en compte la perte par lixiviats. Ces derniers sont réinjectés directement dans l'andain. Le bilan obtenu est négatif. On ajoute donc la quantité d'eau manquante dans l'andain.

L'eau nécessaire est prélevée dans le bassin de lagunage de traitement des lixiviats et de récupération des eaux pluviales.

1.5. Criblage et stockage du compost mature

  • Criblage

Après l'étape de finition, il est nécessaire de cribler le compost afin de séparer les éléments grossiers ($\varnothing < 10cm$) du compost final. Ces éléments grossiers une fois séparés sont renvoyés dans le mélangeur afin de compléter le volume de structurant initial. Par andain, ces éléments grossiers représentent moins de 2% du volume de l'andain, soit 3,4 m3.

Pour le choix du cribleur, celui-ci doit se faire en fonction du volume des andains à trier ainsi que du temps alloué à cette activité, recommandé à 40 h d'utilisation annuelle pour une plate-forme traitant 10 000 tonnes de déchets par an.

Sur notre plate-forme, on a :

Dimensionnement du crible
(Source : ADEME, 2001)

Ainsi, le cribleur choisi est un cribleur de 16,5 kW criblant à un débit variant de 10 à 35 m² selon le type de produit. En supposant que notre produit est débarrassé de ses pricipaux éléments grossiers en amont du criblage, on peut se placer dans un intervalle compris entre 20 et 35 m3/h. De plus, notre plate-forme traitant environ 9700 t de déchets bruts annuellement, on peut dès lors raisonnablement comparer les valeurs de notre plate-forme avec celles fournies par l'ADEME. On observe alors que l'intervalle de durée d'utilisation du cribleur recoupe précisément celui recommandé.

  • Stockage

Le stockage du compost fini se fait sur une aire de stockage couverte, par andain. Le stockage est effectué à partir du principe que le compost est amené à être épandu de façon saisonnière (cf Bonneau J., 1994). L'aire de stockage doit donc pouvoir stocker jusqu'à 6 mois de compost mûr, soit 42 andains.

Cette surface de stockage est estimée à 3200 m².

2. Analyse économique de la plate-forme de compostage

Dans un dernier temps, nous avons tenté d’effectuer une analyse économique du fonctionnement de notre plate-forme de compostage. Cependant, ce genre d’informations n’est pas rendu public par les exploitants de plate-forme, et il a donc été difficile de proposer une analyse fiable et précise. Nous proposons donc ici une analyse économique générale.

2.1. Estimation des coûts d'investissement et de traitement

D'après la bibliographie (cf Fig ci-dessous), il existe une corrélation significative entre le coût d'investissement et la capacité en EH pouvant traiter la plate-forme de compostage.

Corrélation entre le coût d'investissement et la capacité en EH
(Source : Agence de l'eau, 2007)

 

De fait, d'après la courbe de corrélation, notre plate-forme de compostage se situerait autour de : 3000000 € d'investissements. Parmi les plate-formes étudiées par l'Agence de l'eau, c'est la plate-forme de Traffeyère qui correspond le mieux à notre plate-forme de compostage, avec les caractéristiques suivantes :

Caractéristiques de la plate-forme de Traffeyère (38)
(Source : Agence de l'eau, 2007)

 

Cette plate-forme présente les mêmes capacités de traitement et présentent des volumes traitables similaires, avec le même processus de fermentation en casiers fermés même si le traitement des odeurs diffère de celui de notre plate-forme de compostage. Néanmoins, on peut raisonnablement affirmer que les coûts d'investissement et les coûts de traitement présentent les mêmes ordres de grandeur.

Il est cependant nécessaire de discuter ces valeurs. En effet, le coût de la vie et des matériaux n'étant pas le même en métropole et à la Réunion, on peut supposer que les coûts d'investissement de notre plate-forme soient plus élevés.

2.2. Estimation des recettes

Les recettes d'une plate-forme de compostage sont de 2 types :

  • Facturation des apports de déchets
  • Vente du compost

La facturation des apports de déchets constitue 70% à 90% des recettes et varie entre 30€/t et 60€/t de boues traitées (cf ADEME, 2001). La vente du compost quant à elle ne représente que 12 % environ du coût de traitement, et oscille autour de 6€/t de déchets traités. Ces chiffres sont relativement bas en comparaison des coûts de traitement, mais peuvent être compensés par des subventions.

Cependant, il est intéressant de remarquer que dans le cas de notre plate-forme de compostage, les boues sont apportées directement sur la plate-forme et ne proviennent pas d'un client extérieur (sauf changement dans la conduite de la plate-forme). Dès lors, les coûts de traitement des boues par compostage ne représenteraient donc plus une source de revenus, mais plus une alternative à un traitement des boues résiduaires éventuellement plus coûteux tel que l'incinération ou l'enfouissement.

Bibliographie

Bonneau J. (1994) Amélioration d’une ligne d’affinage de compost sur l’usine de Saint-Malo (35)

ADEME (2001) Guide technique : la gestion des déchets verts, 143 p

INDDIGO (2011) PDEDMA : Projet de plan révisé d’élimination des déchets ménagers et assimilés du département de la réunion, Conseil Général de la Réunion, 126 p

Techniques de l’ingénieur (2010) Emissions gazeuses et traitement de l’air en compostage, g1925, 19 p

Agence de l'eau (2007) Références de coûts pour la construction d'ouvrages de traitement des boues de station d'épuration, AERMC, 20 p