Pourquoi les eaux usées de pâte et papier sont difficiles à traiter pour la DCO
Les usines de pâte et papier consomment 250 à 300 m³ d'eau par tonne de papier produit, ce qui en fait l'une des plus fortes charges hydrauliques de tout site industriel (S3). Cette eau quitte le site chargée en liqueur de cuisson usée, filtrat de l'atelier de blanchiment, eau blanche de la machine à papier et effluent de désencrage des fibres recyclées, chacun avec un profil de DCO distinct. Les courants du lessiveur Kraft et de l'atelier de blanchiment dominent la charge de DCO (79 % et 85 % d'abattement rapportés dans des études de clarification primaire), tandis que l'eau blanche de la machine à papier transporte surtout des fibres et charges en suspension (S3).
Le problème chimique majeur tient au rapport DBO/DCO de 0,15 à 0,35, bien en dessous des 0,4 à 0,8 typiques des eaux alimentaires ou municipales (S4). Un rapport DBO/DCO faible signifie que la majeure partie de la DCO est non biodégradable : fragments de lignine, organiques chlorés et tanins de haut poids moléculaire. La couleur brun foncé est la signature visible de ces mêmes dérivés de lignine et de tanin, et la boue activée classique ne retire en pratique que 10 à 30 % de la couleur kraft (S4). Cette couleur n'est pas qu'esthétique : elle est corrélée à la DCO résiduelle, aux AOX et à la lignine qui survivent au traitement biologique et qui dictent la capacité de l'usine à respecter son autorisation de rejet.
Courant par courant, le tableau est contrasté. La liqueur de cuisson porte 60 à 90 % de la DCO dissoute et l'essentiel de la couleur. L'effluent de l'atelier de blanchiment apporte AOX, chlorophénols (90 à 99 % d'abattement dans les usines bien conduites) et un filtrat très coloré. L'eau blanche de la machine à papier contient surtout des fibres et charges en suspension (CaCO₃, argile, TiO₂) avec une faible DCO dissoute. L'effluent de désencrage des fibres recyclées se situe entre les deux — DCO modérée, couleur modérée, majoritairement surfactants et encres biodégradables. Une station biologique mono-étage ne peut pas traiter ces quatre courants à la fois, et c'est pourquoi le train en quatre étapes existe.
Comment la DCO est éliminée : le train de traitement en quatre étapes
Toute station d'épuration moderne d'usine de pâte et papier est conçue comme un train en quatre étapes, car aucune opération unitaire seule ne couvre la totalité de la charge de DCO, de couleur et de toxicité. Les étapes se succèdent dans l'ordre où l'eau les rencontre : primaire, anaérobie, aérobie ou membranaire, puis polissage tertiaire.
Étape 1 — Clarification primaire ou FAD. Le dégrillage, la récupération des fibres, et soit un décanteur soit un système de flottation à air dissous pour le traitement primaire en papeterie extraient les matières en suspension — fibres, charges et fraction particulaire de la DCO. L'abattement typique de la DCO particulaire est de 10 à 30 % (S3, S4). La FAD est privilégiée pour les eaux blanches de papeterie car elle flotte les fibres de faible densité, tandis que les décanteurs traitent les sables et charges de densité plus élevée.
Étape 2 — Anaérobie. Les réacteurs UASB ou EGSB prennent en charge la DCO dissoute à forte concentration qui survit au traitement primaire. Chinnaraj et Venkoba Rao (2006) ont rapporté un abattement de DCO de 80 à 93 % sur un effluent agro-pâte et papier en UASB (S3). L'intérêt principal du réacteur est double : il élimine l'essentiel de la DCO biodégradable sans aération, et il produit du biogaz qui compense la demande de vapeur de l'usine.
Étape 3 — Aérobie ou MBR. La boue activée, le MBBR, ou le bioréacteur à membranes pour effluent de pâte et papier polissent l'effluent anaérobie. La boue activée atteint 60 à 95 % de DCO (S3), le MBBR 50 à 70 % de DCO en fonctionnement autonome (S3), et les variantes MBR 72 à 99 % de DCO, incluant le MBR anaérobie immergé (83 % de DCO) et le MBR à lit fixe (92 à 99 % de DCO) selon les configurations (S3).
Étape 4 — Tertiaire PAC/PAM. Une coagulation au chlorure de polyaluminium couplée à une floculation au polyacrylamide anionique traite la couleur résiduelle, la lignine et toute DCO échappant à la biologie. Les doses s'échelonnent de 100 à 400 mg/L de PAC et de 1 à 3 mg/L de PAM à pH 5,5 à 7,0, pour un abattement additionnel de 30 à 60 % de la DCO et de 70 à 90 % de la couleur après biologie (S4). La section suivante compare les quatre étapes en face-à-face.
Performance étape par étape : abattement de la DCO et paramètres opératoires
Le tableau ci-dessous rassemble les plages numériques de performance et les notes opératoires pour chaque étape. Les valeurs de DCO en entrée et sortie sont des fenêtres opératoires typiques pour les usines kraft et à fibres recyclées issues des études en S3 ; l'abattement cumulé suppose des étapes en série avec un bassin tampon intermédiaire raisonnable.
| Étape | DCO entrante typique (mg/L) | DCO sortante typique (mg/L) | Abattement de DCO | Équipements principaux | Note énergie / emprise |
|---|---|---|---|---|---|
| Primaire — FAD ou décanteur | 2 000–8 000 (brute) | 1 500–6 000 | 10–30 % (DCO particulaire) | Cellule FAD, décanteur primaire, tamis de récupération des fibres | Faible énergie ; emprise réduite pour la FAD ; récupération de fibres valorisables |
| Anaérobie — UASB / EGSB | 3 000–8 000 | 300–1 000 | 80–93 % (S3, Chinnaraj et Venkoba Rao 2006) | Réacteur UASB ou EGSB, gazomètre, lit de boues | Pas d'énergie d'aération ; production de biogaz compensant la vapeur ; réacteurs hauts, emprise modérée |
| Aérobie — boue activée (CAS) | 300–1 000 (post-anaérobie) | 30–200 | 60–95 % DCO ; 95–99 % DBO ; 97 % MES (S3) | Bassin d'aération, décanteur, boucle de recirculation | L'aération est le principal poste énergétique ; emprise importante ; sensible au foisonnement |
| Aérobie — MBBR | 500–2 000 | 150–800 | 50–70 % en autonome ; jusqu'à 98 % de réduction de toxicité à 25 kg DCO/m³·j (S3) | Réacteur à biofilm mobile, tamis, décanteur | Pas de recirculation de boues ; bassins plus petits que la CAS ; procédé à biofilm |
| Aérobie/MBR — variantes MBR | 300–2 000 | 10–150 | 72–99 % selon configuration ; FBMBR 92–99 % (S3) | Bassin membranaire avec MF/UF PVDF à seuil de coupure 0,1–1 µm | Emprise d'environ 60 % plus faible que la CAS ; CAPEX plus élevé ; gestion du colmatage membranaire requise |
| Tertiaire — PAC + PAM | 30–200 (post-biologie) | 10–80 | 30–60 % de DCO additionnelle ; 70–90 % de couleur (S4) | Mélangeur rapide, bassin de floculation, décanteur ou filtre, skid de dosage piloté par automate | Le coût chimique domine ; emprise modeste ; volume de boues à gérer |
Deux tendances méritent d'être soulignées. D'abord, la plus forte chute de DCO en une seule étape se produit à l'étape anaérobie, et non à l'aérobie. Ensuite, les variantes MBR referment l'écart vers une DCO sortante inférieure à 50 mg/L que la boue activée seule ne peut pas atteindre, ce qui explique pourquoi le MBR est devenu le choix par défaut pour les usines soumises à des limites strictes de couleur et d'AOX. Le tableau rend aussi visible le compromis énergétique : l'anaérobie économise l'énergie d'aération au prix d'un réacteur plus haut, et le MBR économise l'emprise au prix du remplacement et du nettoyage des membranes.
Choisir entre boue activée, MBBR et MBR pour un effluent de pâte et papier
L'étape biologique est la décision à plus fort levier dans le train, car elle fixe le plancher sous lequel la chimie tertiaire doit opérer. Les trois options viables ont des profils de coût et d'emprise très différents.
Boue activée classique (CAS). Le CAPEX est le plus bas des trois, et un abattement de 60 à 95 % de la DCO est atteignable dans les études publiées (S3). L'inconvénient tient à l'emprise : un bassin d'aération dimensionné pour la charge en DBO post-anaérobie typique, plus un clarificateur secondaire avec pompes de recirculation, occupe une place significative, et le procédé est sensible au foisonnement, au moussage et aux chocs toxiques provenant des pics de l'atelier de blanchiment. La CAS convient lorsque l'usine dispose de terrain, que les limites de rejet sont modérées (par exemple 100 à 250 mg/L de DCO) et que l'affluent est stable.
Réacteur à biofilm à lit mobile (MBBR). Un pilote de 1994 a retiré 98 % de la toxicité et 70 % de la DCO à une charge organique de 25 kg DCO/m³·j (S3) ; un pilote pour papier journal de 1997 a atteint 65 à 75 % de DCO et 85 à 95 % de DBO avec un TSH de 4 à 5 h (S3). Un MBBR pleine échelle sur effluent combiné n'a cependant atteint que 50 % de DCO soluble et 21,53 % de DCO en étant alimenté par un mélange pâte, chaufferie et récupération chimique (Das et Naga 2011, in S3). Cet écart entre pilote et pleine échelle compte : le MBBR seul atteindra difficilement des limites strictes sans chimie de polissage.
Bioréacteur à membranes (MBR). Les configurations incluent le MBR anaérobie immergé (83 % de DCO), le MBR à lit fixe (92 à 99 % de DCO) et le MBR couplé à une oxydation avancée (plus de 90 % de DCO avec polissage à l'ozone) selon S3. Les membranes PVDF à seuil de coupure 0,1 à 1 µm retiennent quasiment toute la biomasse et la plupart des colloïdes, pour un effluent clair, apte à la réutilisation. L'emprise est d'environ 60 % plus faible qu'en CAS, mais le CAPEX membranaire, l'aération de décolmatage et le nettoyage chimique (CIP) alourdissent l'OPEX.
Règle de décision : si la limite de rejet est inférieure à 50 mg/L de DCO, si la couleur et les AOX sont réglementés, ou si l'usine est contrainte en emprise, retenir le MBR. Si du terrain est disponible et si la limite est de 100 à 250 mg/L de DCO, un MBBR ou une CAS avec PAC tertiaire apporte l'abattement requis à coût total plus bas. Dans les deux cas, le skid de dosage PAC et PAM piloté par automate en aval referme l'écart résiduel de couleur et de DCO après la biologie.
Coagulation tertiaire : dose de PAC, pH et choix du polymère
La coagulation tertiaire est l'étape qui retire effectivement les derniers 30 à 60 % de DCO et 70 à 90 % de la couleur résiduelle, et qui transforme un effluent biologiquement traité brun foncé en un rejet jaune paille conforme aux normes strictes (S4). Les deux paramètres qui comptent le plus sont le pH et la basicité du PAC.
Un PAC à haute basicité (60 à 75 % de basicité en Al₂O₃) porte davantage d'espèces aluminium polymériques à forte charge, ce qui améliore la neutralisation de charge des colloïdes de lignine chargés négativement (S4). La fenêtre de pH optimale se situe entre 5,5 et 7,0, avec souvent les meilleurs résultats entre pH 6,0 et 6,5 (S4). Hors de cette fenêtre, l'abattement de couleur chute fortement car les espèces d'aluminium évoluent vers des formes moins chargées qui floculent mal.
Le tableau ci-dessous relie les objectifs d'abattement de couleur à la dose de PAC, à la réduction de DCO attendue et à la dose de PAM associée. Utilisez-le comme point de départ pour des jar-tests, puis validez sur l'effluent réel de l'usine.
| Objectif d'abattement de couleur | Dose de PAC (mg/L) | Abattement de DCO additionnel attendu | Dose de PAM (mg/L) | pH opératoire |
|---|---|---|---|---|
| Modéré (50–70 %) | 100–200 | 30–40 % | 1–2 | 6,0–7,0 |
| Élevé (70–85 %) | 200–300 | 40–55 % | 2–3 | 5,5–6,5 |
| Strict (80–95 %) | 250–400 | 50–60 % | 2–3 | 5,5–6,0 |
Le polyacrylamide anionique à 1 à 3 mg/L est couplé au PAC pour former des flocs plus gros et plus décantants, et pour réduire l'aluminium résiduel dans l'effluent final (S4). Le PAM cationique est généralement évité dans cette application car il augmente la charge en solides dissous et peut pénaliser la réutilisation en aval. Le dosage doit être piloté par automate avec mesure continue du pH et du courant d'écoulement : un dosage manuel dérive en quelques heures et l'abattement de couleur s'effondre avec lui. La décantation se fait en règle générale dans un bassin de sédimentation haute performance ou sur filtre à sable, selon l'objectif de MES résiduelles.
Cadre de sélection 2026 : adapter le train à votre usine
Les quatre profils numériques ci-dessous couvrent les configurations qu'un service achats rencontrera le plus souvent dans les offres fournisseurs 2026. Chacun suppose une FAD primaire ; la différence tient à ce qui se place entre la FAD et la chimie tertiaire.
Usine de pâte vierge kraft ou sulfite avec limites strictes de couleur et d'AOX. FAD primaire → UASB ou EGSB → MBR → tertiaire PAC/PAM. Abattement global de DCO attendu 95 à 99 %, avec une DCO en sortie typiquement inférieure à 50 mg/L et une couleur en bas de la plage Pt-Co. CAPEX et OPEX les plus élevés, mais c'est la seule configuration qui atteint de façon constante les limites EPA 40 CFR Part 430 BPT et BAT les plus strictes pour les usines kraft blanchies, ainsi que les référentiels couleur et AOX de la directive européenne sur les émissions industrielles 2010/75/UE.
Usine à fibres recyclées (RCF) ou de désencrage avec limites modérées. FAD primaire → boue activée ou MBBR → polissage PAC. Abattement global de DCO attendu 80 à 90 %, avec une DCO en sortie de l'ordre de 100 à 200 mg/L. CAPEX plus bas, consommation chimique plus faible, et démarche réglementaire simplifiée. C'est le bon choix lorsque la DCO et la couleur de l'affluent sont déjà modérées, car la lignine a été retirée lors de la mise en pâte amont (S4).
Usine de pâte non blanchie ou mécanique avec terrain disponible. FAD primaire → bassin d'aération stabilisée (ASB) → polissage PAC. Les ASB des études citées ont atteint 67 % de DCO et 90 % de DBO sous supplémentation azotée, et 84 à 88 % de DCO dans des essais plus récents (S3). CAPEX le plus bas de toutes les options, mais emprise importante et performance sensible à la température.
Le compromis est constant : chaque étape ajoutée augmente le CAPEX et l'OPEX, mais abaisse la DCO et la couleur résiduelles. Le cadre ci-dessus aide à situer où se trouve le goulot d'étranglement réel. Pour les usines qui hésitent entre FAD et décanteur primaire en tête de train, la comparaison FAD vs décanteur pour le traitement primaire en papeterie détaille la décision. Pour une vision plus large des options de polissage au-delà du PAC, le guide de sélection du traitement tertiaire couvre la filtration sur sable, le charbon actif et les alternatives d'oxydation avancée.
Questions fréquentes
Quel abattement global de DCO une station en quatre étapes peut-elle atteindre pour la pâte et papier ?
Un train en quatre étapes (FAD ou décanteur primaire, UASB ou EGSB anaérobie, aérobie ou MBR, et tertiaire PAC/PAM) atteint couramment 95 à 99 % d'abattement global de la DCO, avec un effluent final généralement inférieur à 50 mg/L de DCO pour les usines kraft blanchies opérant sous EPA 40 CFR Part 430 ou la directive européenne sur les émissions industrielles 2010/75/UE. L'étape anaérobie apporte la plus forte chute en une seule étape (80 à 93 % de DCO), et la coagulation tertiaire au PAC ajoute 30 à 60 % supplémentaires sur le résidu (S3, S4).
Que signifie un rapport DBO/DCO de 0,15 à 0,35 pour le traitement biologique ?
Un rapport DBO/DCO de 0,15 à 0,35 signifie que 65 à 85 % de la DCO de l'affluent est non biodégradable, principalement des fragments de lignine, des organiques chlorés et des tanins de haut poids moléculaire (S4). Cela impose un train hybride : l'anaérobie et l'aérobie traitent la fraction biodégradable, tandis que la fraction non biodégradable doit être retirée par clarification primaire, séparation membranaire ou coagulation tertiaire. C'est aussi pourquoi la boue activée classique seule descend rarement sous 100 à 200 mg/L de DCO en sortie sur effluent kraft.
Quelle dose de PAC et quel abattement de DCO attendre d'une coagulation tertiaire ?
Des doses de PAC de 100 à 400 mg/L à pH 5,5 à 7,0 apportent 30 à 60 % d'abattement additionnel de DCO et 70 à 90 % d'abattement de couleur après traitement biologique, avec un PAM anionique à 1 à 3 mg/L en soutien à la floculation (S4). Les objectifs modérés de couleur (50 à 70 %) demandent généralement 100 à 200 mg/L de PAC, tandis que les objectifs stricts (supérieurs à 80 %) requièrent 250 à 400 mg/L de PAC. Le PAC à haute basicité (60 à 75 % de basicité) est privilégié en raison de sa plus forte proportion d'espèces aluminium polymériques.
Quelle part de DCO un réacteur UASB retire-t-il en application pâte et papier ?
Les réacteurs UASB et EGSB atteignent 80 à 93 % d'abattement de DCO sur des effluents agro-pâte et papier et kraft, en faisant passer la DCO de 3 000 à 8 000 mg/L à 300 à 1 000 mg/L (Chinnaraj et Venkoba Rao 2006, in S3). L'avantage énergétique est la principale raison pour laquelle l'anaérobie est placé avant l'aérobie : l'UASB n'a pas besoin d'aération et produit du biogaz qui peut compenser la demande de vapeur de l'usine, alors que l'aération aérobie est typiquement le premier poste d'OPEX d'une station de pâte et papier.
Quelles réglementations encadrent le rejet des effluents de pâte et papier ?
Les usines américaines opèrent sous l'EPA 40 CFR Part 430 (Pulp, Paper and Paperboard Effluent Guidelines), qui fixe les limites BPT, BAT et BCT pour les polluants conventionnels et ajoute des normes spécifiques pour les courants de blanchiment. Les usines européennes opèrent sous la directive sur les émissions industrielles 2010/75/UE, qui définit des plages BAT-AEL pour la DCO, la couleur, les AOX et les MES. Ces deux cadres poussent à l'adoption de trains en quatre étapes avec MBR ou aération biologique renforcée associée à une coagulation tertiaire pour les usines kraft blanchies.
