Émissions d’oxyde nitreux lors du traitement de l’azote des eaux usées de l’agglomération parisienne : état actuel et prévisions

Résumé

La Seine, un des fleuves les plus anthropisés d’Europe, reçoit les rejets des eaux usées de près de quinze millions d’habitants, soit le quart de la population française, dont dix millions sont concentrés dans l’agglomération parisienne. Suite à la directive européenne 91/271, l’assainissement des eaux usées de l’agglomération parisienne est actuellement remodelé et amélioré. Les flux d’azote, rejetés auparavant en Seine, seront progressivement traités via des procédés basés sur des cultures libres (boues activées) ou fixées (biofiltres immergés) permettant la nitrification et la dénitrification de la pollution azotée.

Néanmoins, il est désormais admis que de l’oxyde nitreux (N₂O), un gaz à effet de serre destructeur de la couche d’ozone, pourrait être émis dans l’atmosphère de façon significative durant le traitement biologique de l’azote en station d’épuration (STEP). Ces émissions ont été quantifiées en fonction des charges en azote traitées et des procédés utilisés, en conditions expérimentales. En se basant sur ces résultats, nous avons évalué les émissions de N₂O sur l’ensemble des stations d’épuration de l’agglomération parisienne, dans les conditions actuelles des traitements pratiqués, mais également estimé les émissions futures, suite aux principaux changements prévus aux horizons 2006-2008 et 2012-2015.

Les estimations conduisent à des émissions actuelles de N₂O de l’ordre de 60‑120 kg N‑N₂O/j, qui augmenteront à l’issue de la première étape des travaux (2006-2008) à 320‑480 kg N‑N₂O/j, pour atteindre 370‑750 kg N‑N₂O/j en 2012‑2015. Les niveaux les plus bas de ces émissions pourraient être atteints si le traitement de l’azote se fait avec une oxygénation supérieure à 2 mgO₂/L en nitrification et en dénitrification, avec des conditions d’anoxie totales et un ajout de méthanol permettant 100 % de la réduction de la charge en nitrate.

Compte tenu de nos résultats pour les stations d’épuration (60‑120 kg N‑N₂O/j) et ceux obtenus pour la Seine à l’aval du rejet des effluents non traités pour l’azote (90‑200 kg N‑N₂O/j), les émissions actuelles de N₂O sont estimées à 150‑320 kg N‑N₂O/j, et celles du futur augmenteraient d’un facteur d’à peine 2 quand le traitement de l’azote sera complet en stations d’épuration; cette augmentation est relativement faible si l’on tient compte de la gamme de nos estimations. De plus, à l’échelle du bassin de la Seine, les émissions d’oxyde nitreux liées au traitement de l’azote dans les stations d’épuration de l’agglomération parisienne (actuel et futur) continueront de représenter une faible proportion, de 1 à 10 % par rapport aux émissions provenant des sols agricoles du bassin amont (4100‑8200 kg N‑N₂O/j).

Mots clés : émissions de N₂O, stations d’épuration, traitement de l’azote, agglomération parisienne, bassin de la Seine

Summary

Nitrous oxide emissions during the removal of nitrogen from wastewater treatment plants in the Paris metropolitan area: current state and forecasts

The Seine, one of Europe’s rivers most affected by intense human pressures, receives wastewater discharges from almost fifteen million inhabitants, equal to a quarter of the French population, among which ten million are concentrated in the Paris conurbation. In the framework of the European directive 91/271, wastewater treatment in the Paris conurbation is being reorganized and improved. The nitrogen load, still discharged to the Seine River, will be gradually treated by fixed biological culture and activated sludge processes, allowing nitrification and denitrification of nitrogen pollution.

It is now accepted that nitrous oxide (N₂O), a greenhouse gas that induces the destruction of stratospheric ozone, is emitted during biological nitrogen treatment in wastewater treatment plants (WWTPs) and may be a significant source to the atmosphere. These emissions have been quantified under experimental conditions, depending on the nitrogen load treated and the treatment used. These results have allowed the estimation of N₂O emissions from all WWTPs in the Paris conurbation for present treatments and also for future conditions, with new treatments being scheduled in 2006‑2008 and then in 2012‑2015.

We estimate present N₂O emissions to be 60‑120 kg N‑N₂O/d, which would increase to 320‑480 kg N‑N₂O/d in 2006‑2008 and reach 370‑750 kg N‑N₂O/d in 2012‑2015. The emission levels could be limited to the lower range of values if the nitrification of nitrogen were performed at an oxygenation level higher than 2 mg O₂/L and if denitrification were performed under total anoxic conditions and with a methanol addition, allowing a 100% reduction of the nitrate load.

According to our results found for Paris WWTPs (60‑120 kg N‑N₂O/d) and those obtained in the lower Seine River, which receives effluents not treated for nitrogen (90‑200 kg N‑N₂O/d), N₂O emissions amount to 150‑320 kg N‑N₂O/d. This increase of N₂O emissions by a factor of less than 2 is a rather low value taking into account the range of our estimates. Furthermore, at the scale of the Seine River basin, nitrous oxide emissions from nitrogen treatments in Paris conurbation WWTPs (at present or in the future) would continue to represent a low proportion, 1 to 10%, in comparison with the emissions from agricultural lands (4100‑8200 kg N‑N₂O/d).

Key words: N₂O emissions, wastewater treatment plants, nitrogen treatment, Paris conurbation, Seine River basin