L'épandage agricole des boues de stations d'épuration d'eaux usées urbaines

Alexandre Dudkowski
INRA-ME&S

- Encadré : Historique 
- Glossaire
- Bibliographie et orientation internautique

 1. Introduction

 Depuis plusieurs décennies, la France, ainsi que la plupart des pays de l'Union européenne, ont mis en place des stations d'épuration dans le cadre de la politique publique de préservation de la qualité des eaux naturelles. Mais celles-ci génèrent un sous-produit inévitable qui sont les boues d'épuration et dont l'élimination fait partie des problèmes environnementaux actuels.
Les eaux usées sont collectées puis acheminées vers les stations d'épuration où elles sont traitées. En fin de traitement, à la sortie de la station, l'eau épurée est rejetée dans le milieu naturel mais il demeure des résidus d'épuration qui sont les boues résiduaires. Elles sont composées d'eau et de matières sèches contenant des substances minérales et organiques. Les stations d'épuration produisent des boues liquides, pâteuse ou solides en fonction de leur siccité (pourcentage de matière sèche qu'elles contiennent) et il apparaît que :
- les boues liquides proviennent des petites stations des zones rurales et périurbaines ;
- les boues pâteuses proviennent des moyennes stations ;
- les boues chaulées (boues avec adjonction de chaux), de consistance pâteuse ou solide proviennent des stations de moyenne ou grande taille et représentent 30 % des tonnages de boues ;
- les boues compostées proviennent des stations de moyenne taille et ne représentent que 2% des tonnages de boues ;
- les boues séchées sont peu fréquentes en France.

En moyenne, chaque Français génère 200 l d'eau usée par jour qui une fois traitée donnent 5 l de boues brutes contenant elles-mêmes près de 15 g de matières sèches (MS). Actuellement, sont produites chaque année, 850 000 t de MS en France, et 7 500 000 t de MS au niveau de l'Union européenne. Et ces tonnages ne font que croître du fait de l'augmentation du nombre de stations d'épuration. Il faut donc des processus d'élimination qui soient adaptés.
Il existe en France trois filières d'élimination des boues :
- 50 à 60 % sont épandues en agriculture ;
- 20 à 25 % sont mises en décharge ;
- 15 à 20 % sont incinérées, avec une production de résidus à éliminer. 
Cependant, la mise en décharge des boues sera progressivement réduite jusqu'en 2015, puis interdite. Il ne restera alors comme voies d'élimination que l'épandage agricole et l'incinération. L'INRA (1) a mis en place avec l'ADEME (2) en 1998 un programme sur 4 ans pour coordonner des recherches sur la pérennisation de cet épandage sachant qu'en 2005 on produira environ 1 300 000 t de MS/an.
A l'heure actuelle, l'épandage agricole des boues reste en Europe la principale filière d'élimination, mais il faut cependant noter que les boues urbaines représentent moins de 2 % des déchets épandus en agriculture. Les déjections animales en représentent 94 %.         

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2. Les processus d'épandage

Phase 1 - Conception
La conception de l'organisation des épandages débute par une étude préalable qui permet de définir les principes de l'organisation, de choisir et de valider le périmètre d'épandage retenu, de nommer les intervenants, de fixer le choix du matériel et des équipements pour le stockage, le transport et l'épandage. Enfin, elle doit fournir des analyses de la boue destinée à être épandue et du sol récepteur.

Phase 2  - Exploitation
Un "programme prévisionnel" est établi chaque année pour préciser les périodes d'épandage et les parcelles agricoles retenues en lien avec les agriculteurs, et pour désigner les personnes ou entreprises responsables des opérations de transport et d'épandage.

Puis les responsables retenus déclenchent les opérations d'épandage à la date choisie. Celles-ci assurent aussi les relations entre opérateurs et agriculteurs, et la circulation des données (parcelles épandues, quantité de boues apportées, analyse des boues et des sols avant épandage, etc...). L'ensemble des données et informations concernant l'épandage est consigné dans le registre des épandages.

Phase 3 - Rendre compte
  Un bilan agronomique annuel est obligatoirement rédigé par le producteur de boues à destination du préfet. Les agriculteurs et les administrations concernées obtiennent alors une synthèse du registre des épandages.

La réglementation prévoit deux grandes périodes d'épandages : le printemps, de mars à avril, et à la fin de l'été, de aôut à octobre. L'épandage est interdit en dehors de ces périodes, mais les boues continuent d'être produites et il faut donc les stocker durant 6 à 9 mois.
Les boues liquides sont stockées dans des silos à la façon des lisiers, avec un agitateur pour homogénéiser les boues avant l'épandage (fig. 1).

Les boues pâteuses sont conservées dans des fosses ou autres dispositifs étanches (fig. 2).

Les boues solides sont stockées à même le sol sur des dalles imperméables, il convient de les couvrir (bâches, hangars).
Les boues séchées thermiquement se présentent de la même manière que des engrais minéraux granulés et requièrent le même type d'installation, de manutention et de stockage.
Le stockage temporaire des boues à même le sol est déconseillé. Si les boues ne sont pas stabilisées, ce stockage ne peut excéder 48 heures.

Afin de limiter les nuisances (bruit, odeurs), les chantiers doivent épandre un maximum de boues en un minimum de temps sous de bonnes conditions météorologiques. Pour cela, les chantiers sont bien organisés et les matériels choisis selon la consistance physique des boues à épandre.
Pour les boues liquides, l'épandage se fait avec des tonnes à lisier (si possible avec des rampes d'épandage) ou avec des rampes d'aspersion basse pression qui évitent les brouillards fins. (fig. 3).

Pour les boues pâteuses ou solides, le matériel est spécialisé avec des épandeurs à plateaux (fig. 4). Pour la circulation dans les champs, l'épandeur doit utiliser des équipements qui limitent les dégradations (pneumatiques basse pression, double ou triple essieu...). De même, les zones de chargement sont prévues pour détériorer le moins possible les parcelles.

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3. Qu'apportent les boues d'épuration ?

Des éléments fertilisants et des amendements

Les boues des stations d'épuration sont constituées de :
- particules minérales (argiles, carbonates, silicates, phosphates...) ;
- débris organiques grossiers (fibres textiles, résidus végétaux, matières plastiques) ;
- biomasse morte (résidus de cellules bactériennes, résidus d'algues...) ;
- polymères organiques issus de l'activité de la biomasse (polysaccharides, protéines) ;
- constituants minéraux et organiques solubles.

Le tableau I indique le pourcentage des éléments fertilisants ainsi que le pourcentage de la matière organique contenues dans les boues.


La disponibilité du phosphore, de l'azote, et du taux de matière organique des boues est conditionnée par le procédé de traitement utilisé dans la station.

Par leur composition, les boues, une fois épandues, augmentent le rendement des cultures. Elles contiennent des nutriments (3) pour les cultures et servent d'amendement (4) organiques et calciques pour améliorer les propriétés physiques et chimiques du sol, surtout si elles sont chaulées ou compostées. Des micro-organismes présents en grand nombre dans le sol digèrent en partie les matières organiques apportées par les boues et les transforment en éléments minéraux disponibles pour la plante. Une autre partie des matières organiques est incorporée au sol et contribue à l'entretient d'une structure favorable au développement des racines.

Des composés indésirables et des nuisances olfactives

   La qualité des eaux usées détermine la qualité des boues. Les stations d'épuration recueillent des rejets contenant un très grand nombre de polluants selon les activités raccordées au réseau d'assainissement. Les boues d'épuration peuvent contenir des composés dont les effets sont indésirables, soit pour la conservation des sols, soit pour la qualité alimentaire des cultures, donc in fine pour la santé de l'homme et des animaux. Ces composés, au dessus d'un certain seuil, peuvent rendre certaines boues impropres à l'épandage agricole. (cf chapitre 4 : la législation concernant l'épandage). Les composés indésirables sont les éléments traces métalliques, les composés traces organiques et les germes pathogènes.

- Les éléments traces métalliques ou ETM

Les ETM sont naturellement présents dans les sols et certains même sont indispensables aux plantes, ils font partie des oligo-éléments. Des expérimentations de longue durée en France et à l'étranger ont permis de montrer que les taux de transfert des ETM du sol vers les végétaux sont inférieurs à 1 % des quantités apportées sur les sols. Mais, selon la nature des eaux épurées, la teneur en certains éléments dans les boues peut s'élever considérablement. Et des apports répétés de boues par épandage pourrait, à long terme, provoquer dans les sols des accumulations incompatibles avec la qualité des cultures. Les ETM ont une origine industrielle (Cd, Ni, Hg, Cr), domestique (Cd, Cu, Pb) et pluviale (Ni, Pb, Zn). Les métaux les plus toxiques pour l'homme sont Cd, Hg et Pb.

Il existe une politique très rigoureuse de contrôle des rejets qui permet de produire des boues de faible teneurs en ETM, même pour les grandes agglomérations, et ainsi préserver les teneurs naturelles du sol. Le tableau II ci-dessous montre les quantités moyennes d'ETM contenues dans les boues de 237 stations et les valeurs limites réglementaires.

Par ailleurs, la connaissance scientifique des effets de différentes teneurs en ETM sur les plantes et sur leur valeur alimentaire est en évolution constante. Elle sert de base de décision pour définir les normes réglementaires applicables à l'épandage depuis son origine.

Il est aussi important de noter que l'apport des boues n'est pas la principale source de contamination des sols en ETM. En effet, les ETM présents dans les sols peuvent avoir plusieurs origines, comme l'indique le tableau III.

- Les composés traces organiques ou CTO

Les composés traces organiques sont des produits chimiques (hydrocarbures, détergents, restes de peinture et de solvant, produits de nettoyage ou de désinfection...) qui sont plus ou moins dégradés par l'activité microbiologique du sol. Cependant, au même titre que les ETM, les CTO peuvent devenir toxiques pour les micro-organismes des sols à haute dose ; or ces derniers sont indispensables à la fertilité des sols.

Il existe encore peu de données sur la teneur en CTO des boues. Soixante-dix des substances dangereuses cataloguées ont été détectées dans les boues. La réglementation française a retenu comme indicateur des composés résistants à la biodégradation :
- les HPA ou hydrocarbures polycycliques aromatiques. Ces composés sont issus de la combustion des carburants (voitures, avions...) ou du chauffage. La principale voie de contamination des sols par les HPA provient des retombées atmosphériques. Mais ils peuvent aussi être apportés aux eaux usées par le lessivage des chaussées par les eaux de pluies ;
- les PCB ou polychlorobiphényles. Ces composés ne sont plus produits en France depuis 1977. Au même titre que les ETM, certains  sont des produits très persistants qui font craindre une accumulation dans le sol.

Le tableau IV présente les concentrations de dix CTO dans les boues de 50 stations d'épuration françaises.

D'autres facteurs inhérents à l'épandage des boues, comme les retombées atmosphériques ou les pesticides utilisés en agriculture, sont des sources d'enrichissement des sols en CTO. Les retombées atmosphériques sont plus préoccupantes puisque les contaminants se déposent directement à la surface des plantes, puis sont dirigés vers le circuit de transformation agroalimentaire. Des expérimentations ont montré que les HPA et PCB apportées par les boues ne passent pas du sol vers les plantes. De plus, les CTO se dégradent dans le sol à des vitesses variables et n'ont donc pas un flux cumulatif.

Par ailleurs, l'évolution constante des connaissances scientifiques à ce sujet sert de base de décision pour définir les normes réglementaires applicables à l'épandage.

- Les micro-organismes pathogènes

Les micro-organismes jouent un rôle essentiel dans les processus d'épuration, aussi bien en station que dans le sol. Il en existe une très grande variété mais seul une infime partie est pathogène. On les classe parmi les virus, les bactéries, les protozoaires, les champignons et les helminthes. La concentration d'une eau usée en germes pathogènes dépend du secteur d'activité duquel elle provient : les eaux provenant d'abattoirs ou de toutes industries traitant de produits d'animaux sont plus largement contaminées. Utilisés uniquement par les grosses stations d'épuration, les procédés d'hygiènisation (traitement thermique et chaulage des boues) permettent d'éliminer totalement tous les germes pathogènes connus.

Parallèlement, les phytopathogènes présents naturellement et les pathogènes apportés par les déjections des animaux sont aussi une source de micro-organismes pathogènes dans les sols.

Selon des études scientifiques, les pathogènes des sols ne pénètrent pas dans les végétaux et ont une population qui décroît rapidement dans les sols.

- Des nuisances olfactives

Les boues résiduaires sont les produits ultimes de l'assainissement de l'eau, et on imagine facilement que la digestion dans les stations de l'eau des wc, du lave vaisselle, parfois des caniveaux et des autres eaux souillées engendre des odeurs désagréables. Certains exploitants de stations d'épuration optent pour le compostage des boues. En effet, le fait de transformer les boues en compost permet non seulement de mieux maîtriser les odeurs, mais aussi de changer l'aspect des gadoues en de conventionnels terreaux. Et, en ce qui concerne l'épandage des boues liquides, processus le plus malodorant, un simple enfouissement de quelques centimètres lors de l'épandage permet de pallier ce désagrément. Il est aussi impératif de noter que comparativement, les effluves malodorantes dues à l'épandage des boues sont minimes par rapport à l'épandage des déjections animales (lisier de porcs, excréments bovins...).

En France, la pratique de l'épandage des boues d'épuration se fait depuis plus de 30 ans et aucun accident majeur n'a été recensé à ce jour. Seuls des incidents mineurs (deux cas de mortalité animale) sont apparus, dus à des pratiques d'épandage non précautionneuses et non réglementaires. Une enquête réalisée par l'ADEME et le cabinet Arthur Andersen en 1999 montre qu'aucun accident important n'a entaché la pratique de l'épandage des boues résiduaires dans les pays de l'UE.

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4. La législation concernant l'épandage des boues d'épuration

En France

La législation en place depuis de nombreuses années définit par la norme NF U44-041 (1985), la directive européenne du 12 juin 1986, la loi sur l'eau du 3 janvier 1992 et de la loi de 1975 sur les déchets et du code de la santé publique, a été renforcée en 1997-98 par le décret n° 97-1133 du 8 décembre 1997 et l'arrêté du 8 janvier 1998. Cette évolution de la réglementation a pour objectif de protéger les acteurs socio-économiques des filières d'épandage ainsi que de définir les meilleures conditions d'innocuité pour l'homme et son environnement, et de fait, éviter tous les abus et les dérives.

 Les grands axes de la nouvelle réglementation

Les boues sont considérées comme des déchets.
Le producteur de boues est responsable de la filière épandage (et de son suivi) ; il a en charge :
- une étude préalable systématique ;
- un programme prévisionnel annuel d'épandage et un bilan annuel ;
- une auto-surveillance de l'épandage, de la qualité des boues et des sols ;
- la constitution d'un dossier d'incidence, au titre de la loi sur l'eau ;
- la tenue d'un registre d'épandage (traçabilité).

Le préfet est destinataire de ces documents. Il les valide et contrôle que la réglementation est respectée.

Le suivi agronomique des boues est confié par le préfet au producteur de boues ou à un organisme indépendant en accord avec la chambre d'Agriculture. Il comprend :
- un avis préalable sur le programme annuel d'épandage ainsi que sur les modalités de suivi ;
- la surveillance de la bonne exécution du plan d'épandage ;
- la collecte de références sur la base d'analyse du sol et des récoltes.

Des seuils plus sévères sont fixés pour les micro-polluants et des flux maximum cumulés sont imposés:
- les teneurs limites en éléments traces métalliques des boues sont diminuées de moitié par rapport à la norme NF U 44-041. Elles sont présentées dans le tableau V ;

- de même, des teneurs limites sont fixées pour 10 micro-polluants organiques (tableau VI).

Dans les pays de l'Union européenne

L'épandage est la solution privilégiée dans la logique de la politique européenne de gestion des déchets, donnant la priorité au recyclage des matières. La directive n° 86/278/CEE du 12 juin 1986 définit les pratiques d'utilisation agricole des boues d'épuration municipales. L'Europe a soutenu de nombreux travaux scientifiques et a encouragé des rencontres, échanges et discussions pour une meilleure harmonisation européenne, dans le cadre du programme de recherche COST 68/681 qui a duré 18 ans, de 1972 à 1990.

Les discussions préliminaires pour une refonte de la directive européenne sur l'épandage ont été lancées fin 1999.

Des travaux de normalisation européenne sont en cours sur les méthodes de caractérisation des boues et produits depuis 1993 au sein du CEN TC 308 (5), sous la présidence française et avec le secrétariat de l'AFNOR (6). Le programme de travail du TC 308 comprend trois axes principaux :
- méthodes d'analyses ;
- guides de bonne pratique ;
- perspectives sur la production et l'élimination des boues.

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5. Vers un accord national sur l'épandage agricole des boues à l'automne 2000 ?

Face au récent traumatisme de la vache folle et par crainte d'une nouvelle crise, les groupements de producteurs AGPB (14), AGPM (15), FNPL (16), CGB (17), les industries agroalimentaires (Bonduelle, Moulins de Savoie, Vico) ainsi que la grande distribution (Carrefour) ont pris des mesures de restriction ou d'interdiction envers la pratique de l'épandage des boues à partir de 1996. De ce fait, les agriculteurs deviennent réticents à épandre des boues. Face à cette situation, début 1998, le Ministère de l'Aménagement du Territoire et de l'Environnement et le Ministère de l'Agriculture ont mis en place un Comité nationale sur l'épandage des boues d'épuration (CNB) réunissant tous les acteurs concernés par cette filière. Ces acteurs sont des représentants de l'Etat (MATE (20), MAP (21) et MS (22)), des consommateurs, des écologistes, des scientifiques, des instituts techniques, des industries agro-alimentaires, des producteurs de boues, des collectivités et de la profession agricole. L'objectif du CNB est de favoriser la concertation entre les acteurs en vue d'aboutir à un accord national. Les axes de travail qui ont été retenus en octobre 1998 sont :
- un audit comparatif entre la filière épandage et la filière incinération pour l'élimination des boues d'épuration ;
- une étude de la situation actuelle dans les autres pays européens afin de préparer une stratégie à l'échelle européenne ;
- une mise au point d'outils de communication et de sensibilisation ;
- une étude de faisabilité d'un fond de garantie pour les exploitants agricoles.

Un colloque national important
Dernièrement, lors d'un colloque national organisé le 5 juillet 2000, l'épandage des boues d'épuration en agriculture a reçu un soutien politique important. En effet, Dominique Voynet (Environnement), Jean Glavany (Agriculture) et Marylise Lebranchu (PME, Commerce et Artisanat), se sont accordés pour dire que l'épandage des boues d'épuration représente un risque environnemental minime et constitue la solution d'élimination la plus économique. Ils espèrent tous les trois arriver rapidement à un consensus entre tous les acteurs concernés par la filière épandage. Ce jour là, l'ensemble des représentants des acteurs concernés s'est déclaré favorable à l'épandage agricole des boues, à des conditions variables selon les intérêts de chacun.

Quelques prises de position récentes
Familles Rurales, l'UNAF et l'UFC (7) considèrent l'épandage des boues des stations d'épuration urbaines sur les terres agricoles comme une des solutions les plus acceptables si certaines conditions sont respectées. Celles-ci étant le principe de prévention, le principe de précaution, l'information du consommateur et l'implication des associations au suivi de la gestion des boues d'épuration.

Le SYPREA (8) qui regroupe 60 % de la production des boues, insiste sur l'innocuité des boues accusées de contenir des ETM.

L'ANIA (9) est favorable à l'épandage agricole des boues d'épuration et rappelle que les conditions d'épandage des boues sont encadrées par un arrêté dont il s'agit de veiller à la bonne application. Et d'autre part, que les recherches dans ce domaine se poursuivant notamment au travers du programme AGREDE (10) conduit par l'INRA, constituent en soi une mesure de précaution, (d'après Flash Ania-2000 n° 513).

D'après le CSHPF (11), les risques de pathogénicité sont extrêmement faibles du fait notamment de la limitation des voies de contamination. Et ces considérations ont été confirmées par les études épidémiologiques réalisées chez des sujets particulièrement exposés. De plus l'hygiènisation des boues par séchage et compostage limite fortement le nombre de micro-organismes pathogènes présents.

Pour le SIAC (12), les boues représentent un produit homogène et stable, ce qui permet aux agriculteurs d'avoir des produits comparables d'une année sur l'autre. Et les odeurs sont maîtrisées par compostage ou par enfouissement, ce qui n'est pas négligeable pour les riverains. Les boues représentent aussi un fertilisant qui n'induit ni pollution par les métaux lourds, ni pollution bactériologique, ni pollution par les nitrates, dans le sol comme dans les plantes.

La FNSEA (18) et le CNJA (19) ont appelé au boycott de l'épandage des boues dès juin 1999 ; cette mesure est toujours en vigueur. Mais le président de la FNSEA, Luc Guyau, a précisé à Dominique Voynet le 19 juillet 2000 que les consommateurs et les agriculteurs ont droit au principe de précaution et demandent des garanties sur leur innocuité avant tout épandage. Et, lorsque l'ensemble des intervenants de la filière sera en mesure de fournir ces garanties, lorsque les pouvoirs publics s'engageront à indemniser les agriculteurs en cas d'accident et à sanctionner tous ceux qui continueront à utiliser les productions sans boues comme argument commercial, alors les agriculteurs seront prêts à reprendre les épandages et à contribuer à la réduction des pollutions urbaines.

Au niveau européen, l'Allemagne, l'Autriche, le Danemark et la Suède sont des pays qui affichent des politiques favorables à l'épandage sous réserve de critères de qualité stricts. Ils considèrent le recyclage biologique comme la voie optimale dans la mesure ou les boues sont peu contaminées. L'Italie, l'Espagne, la Grèce et l'Irlande sont des pays qui considèrent aussi l'épandage des boues comme la solution optimale qui permettrait la réduction des mises en décharge et des rejets en mer. Cependant, la Belgique (Flandres) et les Pay-Bas ont des politiques très défavorables à l'épandage des boues car ils sont préoccupés prioritairement par l'épandage de déjections animales surabondantes.

Aux États-Unis, l'EPA (13) a mandaté 15 experts indépendants pour étudier l'influence des boues de stations d'épuration appliquées en agriculture. Ils en ont finalement conclu que"l'utilisation raisonnée des boues d'épuration posait des risques négligeables pour les cultures, les consommateurs et l'environnement".

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6. Conclusion

Les alternatives et solutions futures à l'épandage agricole
Des possibilités de valorisation agronomique existent potentiellement en sylviculture (production de bois) ou pour la réabilitation de sites dégradés (végétalisation),  tout en restant dans un cadre d'épandage contrôlé et réglementé. Ces voies peu exploitées en France concernent pourtant 20 à 30 % des productions de boues en Finlande et en Suède.

L'utilisation des boues en reconstitution de sols et végétalisation à la suite de gros travaux d'aménagement, comme les talus routier et autoroutier, la réhabilitation de friches industrielles, de friches urbaines ou de décharges, la création de pistes de ski, permet un apport de matière organique en grande quantité nécessaire à la réinstallation du couvert végétal et à la cicatrisation du paysage. (fig. 5).

L'utilisation des boues en sylviculture à titre expérimental en France sur taillis à courte ou très courte rotation (TCR ou TTCR), permet d'utiliser les propriétés fertilisantes des boues pour la production de biomasse ligneuse.

Il est également envisageable de fabriquer des matières fertilisantes commerciales à partir de la matière sèche des boues d'épuration.

Le compostage est aussi une voie qui présente des intérêts certains. Par exemple, les boues mélangées à des déchets de bois fermentant pendant trois semaines dans des couloirs de 35 mètres de long où l'air est aspiré en sous-sol et filtré séparément, donnent des terreaux totalements inodores et dépourvus d'organismes pathogènes.

En ce qui concerne l'incinération des boues, les investissements et les coûts de fonctionnement font que cette solution ne s'adapte qu'à de gros gisements de boues issus des grandes stations d'épuration. Pour les stations de petite taille la co-incinération avec les ordures ménagères présente des solutions avantageuses. Mais pour répondre aux exigences de ces deux solutions, les boues doivent avoir des caractéristiques spécifiques. De fait, une variante à l'incinération est apparue aux Etats-Unis dès les années 60 et a été exportée en Europe en 1998, qui consiste en une oxydation par voie humide, qui permet d'obtenir un résidu minéral à éliminer en décharge, un peu de gaz carbonique et un effluent traitable en station d'épuration.

L'épandage agricole des boues d'épuration sera t-il une solution d'avenir ? A court et moyen terme, sans doute, mais il sera nécessaire d'adapter des technologies nouvelles à l'épuration des eaux usées pour réduire les quantités de boues produites.

[R]   Août 2000.