ISO/TR 20736:2021

Sludge recovery, recycling, treatment and disposal - Guidance on thermal treatment of sludge

This document describes good practices for the incineration and other organic matter treatment by thermal processes of sludges. Thermal conditioning is excluded. This document applies to sludges specifically derived from: - storm water handling; - night soil; - urban wastewater collecting systems; - urban wastewater treatment plants; - treating industrial wastewater similar to urban wastewater. It includes all sludge that may have similar environmental and/or health impacts but excludes hazardous sludge from industry and dredged sludge.

Valorisation, recyclage, traitement et élimination des boues — Lignes directrices pour le traitement thermique des boues

Le présent document décrit les bonnes pratiques applicables pour l'incinération et les autres traitements de matières organiques reposant sur le traitement thermique des boues. Le conditionnement thermique ne fait pas l'objet du présent document. Le présent document s'applique aux boues provenant spécifiquement: — de la collecte des eaux pluviales; — des matières de vidange; — des systèmes de collecte des eaux usées urbaines; — des stations d'épuration des eaux usées urbaines; — des stations d'épuration des eaux industrielles assimilées aux eaux usées urbaines. Il comprend toutes les boues pouvant avoir des impacts environnementaux et/ou sanitaires similaires, à l'exclusion des boues industrielles dangereuses.

General Information

• Status: Published
• Publication Date: 25-Jul-2021
• ICS: 13.030.20 - Liquid wastes. Sludge
• Technical Committee: ISO/TC 275 - Sludge recovery, recycling, treatment and disposal
• Drafting Committee: ISO/TC 275/WG 5 - Thermal processes
• Current Stage: 6060 - International Standard published
• Start Date: 26-Jul-2021
• Completion Date: 26-Jul-2021

Relations

• Consolidated By: ISO 9241-115:2024 - Ergonomics of human-system interaction - Part 115: Guidance on conceptual design, user-system interaction design, user interface design and navigation design
• Effective Date: 30-Sep-2023

Overview

ISO/TR 20736:2021 - Sludge recovery, recycling, treatment and disposal: Guidance on thermal treatment of sludge provides good-practice guidance for the thermal treatment and incineration of sludges from urban and similar wastewater sources. The technical report covers characteristics of sludge, fundamentals of thermal processes (drying, incineration, pyrolysis, gasification, wet oxidation, etc.), technology options, operational considerations, energy and resource management, auxiliary systems, hazards and emerging technologies.
Scope highlights: applies to sludges from storm water handling, night soil, urban wastewater collection and treatment, and industrial wastewater similar to urban wastewater. Excludes hazardous industrial sludge, dredged sludge and thermal conditioning.

Key technical topics and requirements

• Sludge properties and characterisation: physico‑chemical, calorific value, moisture (dry matter), organic content (loss on ignition), nutrients (P, N), sulfur, halogens, trace elements and pathogens - used to select thermal routes and design controls.
• Thermal process fundamentals: principles of drying, hydrolysis, incineration, pyrolysis, gasification, thermolysis, carbonization, wet oxidation, melting and pasteurization.
• Technology options: direct/indirect/solar dryers; fluidized bed, multiple‑hearth and hybrid incinerators; pyrolysis and gasification systems; wet oxidation and melting units; emerging methods (plasma gasification, microwave, ultrasound, enzymatic hydrolysis).
• Design and auxiliary systems: feed and storage, heat supply and recovery, gas cleaning, ash and residue handling, wastewater treatment, process monitoring and safety systems.
• Operational best practices: start‑up, steady operation, monitoring, emission control, handling of residues and hazard mitigation.
• Energy and resource management: recovery of heat, energy integration, management of secondary resources (ash, syngas, biochar) and environmental performance considerations.

Practical applications and who uses this standard

ISO/TR 20736:2021 is practical guidance for:

• Municipal and regional wastewater utilities evaluating thermal options for sludge disposal and energy recovery
• Process and environmental engineers designing, specifying or commissioning thermal treatment systems
• Plant operators and maintenance teams setting operational procedures and safety checks
• Environmental and health regulators assessing conformity with good practice for emissions and residue management
• Equipment manufacturers and technology vendors aligning product features with accepted process and auxiliary requirements
• Consultants and planners performing feasibility studies, life‑cycle and resource‑recovery assessments

Keywords naturally integrated: ISO/TR 20736:2021, thermal treatment of sludge, sludge incineration, sludge recycling, wastewater sludge, sludge management, pyrolysis, gasification, drying.

Related standards (if applicable)

Refer to complementary standards and regulations on wastewater treatment, air emission monitoring, occupational safety, biosolids reuse and sampling/analysis when implementing ISO/TR 20736:2021 to ensure compliance with local legal and environmental requirements.

Standards Content (Sample)

TECHNICAL ISO/TR
REPORT 20736
First edition
2021-07
Sludge recovery, recycling, treatment
and disposal — Guidance on thermal
treatment of sludge
Valorisation, recyclage, traitement et élimination des boues — Lignes
directrices pour le traitement thermique des boues
Reference number
©
ISO 2021
© ISO 2021
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Published in Switzerland
ii © ISO 2021 – All rights reserved

Contents Page
Foreword .vi
Introduction .vii
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Abbreviated terms . 3
5 Sludge properties. 4
5.1 General . 4
5.2 Physico-chemical characteristics . 4
5.2.1 General. 4
5.2.2 Dry matter . 4
5.2.3 Loss on ignition . 4
5.2.4 Calorific value . 5
5.2.5 Grease, scum and screening . 5
5.2.6 Physical consistency and others . 6
5.3 Chemical and microbiological characteristics . 6
5.3.1 General. 6
5.3.2 Sulfur . 6
5.3.3 Phosphorus . 7
5.3.4 Nitrogen . 7
5.3.5 Chlorine and other halogens . 7
5.3.6 Organic micro pollutants . 7
5.3.7 Trace elements. 8
5.3.8 Pathogens . 8
6 Thermal processes fundamentals . 8
6.1 General . 8
6.2 Drying . 9
6.3 Hydrolysis .10
6.4 Incineration .11
6.5 Pyrolysis.12
6.6 Gasification .13
6.7 Thermolysis .14
6.8 Carbonization .14
6.9 Wet oxidation .14
6.10 Melting .15
6.11 Pasteurization .15
7 Technologies .16
7.1 General .16
7.2 Drying .16
7.2.1 Direct dryers .16
7.2.2 Indirect dryers .20
7.2.3 Solar dryers .22
7.3 Hydrolysis .23
7.4 Incineration .24
7.4.1 Fluidized bed furnace .24
7.4.2 Multiple hearth furnace (MHF) .28
7.4.3 Hybrid furnace .31
7.4.4 Others .32
7.5 Pyrolysis.33
7.6 Gasification .33
7.7 Thermolysis .35
7.8 Carbonization .36
7.9 Wet oxidation .36
7.10 Melting .37
7.11 Pasteurization .39
7.12 Emerging technologies .40
7.12.1 General.40
7.12.2 Oxidation technologies .40
7.12.3 Enzymatic sludge hydrolysis .41
7.12.4 Plasma gasification .41
7.12.5 Ultrasound pretreatment .41
7.12.6 Microwave irradiation .41
7.12.7 Infrared radiation .42
7.13 Design aspects .42
7.14 Auxiliary equipment .42
7.14.1 General.42
7.14.2 Transport, receiving area, storage and feeding systems .43
7.14.3 Heat supply and recovery . .43
7.14.4 Gas cleaning .44
7.14.5 Ash and other residues handling .44
7.14.6 Wastewater treatment .44
7.14.7 Process monitoring .44
7.14.8 Safety systems .45
8 Operational aspects .45
8.1 General .45
8.2 Drying .46
8.3 Hydrolysis .46
8.4 Incineration .46
8.4.1 General.46
8.4.2 Fluidized bed furnace .47
8.4.3 Multiple hearth furnace .48
8.5 Pyrolysis.49
8.6 Gasification .49
8.7 Thermolysis .49
8.8 Carbonization .49
8.9 Wet oxidation .49
8.10 Melting .50
8.11 Pasteurization .50
8.12 Hazards .50
9 Management of energy and secondary resources .50
9.1 General .50
9.2 Drying .51
9.3 Hydrolysis .51
9.4 Incineration .51
9.5 Pyrolysis.52
9.6 Gasification .53
9.7 Thermolysis .54
9.8 Carbonization .54
9.9 Wet oxidation .54
9.10 Melting .54
9.11 Pasteurization .54
9.12 Thermal treatments and circular economy .55
10 Management of residues .55
10.1 General .55
10.2 Flue gas .55
10.2.1 Characteristics and parameters .55
10.2.2 Equipment .57
10.3 Ashes .59
10.3.1 Composition/parameters .59
iv © ISO 2021 – All rights reserved

10.3.2 Processes and equipment .60
10.4 Wastewater .61
11 Decommissioning of installations .61
11.1 General .61
11.2 Specific considerations .61
12 Co-management with other organic wastes .62
12.1 General .62
12.2 Specific considerations .63
12.3 Additional storage and transport aspects .65
12.3.1 General.65
12.3.2 Storage .65
12.3.3 Transport .66
13 Assessment of sustainability .66
13.1 General .66
13.2 Environmental aspects .67
13.3 Economical aspects .67
13.4 Social aspects.67
Annex A (informative) Calorific values calculations .69
Annex B (informative) Various systems to input sludge into a household waste incineration
plant .70
Annex C (informative) Case studies .72
Annex D (informative) Regulatory aspects .86
Bibliography .89
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular, the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www .iso .org/ directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
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on the ISO list of patent declarations received (see www .iso .org/ patents).
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constitute an endorsement.
For an explanation of the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and
expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to the
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iso/ foreword .html.
This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 275, Sludge recovery, recycling, treatment
and disposal.
Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A
complete listing of these bodies can be found at www .iso .org/ members .html.
vi © ISO 2021 – All rights reserved

Introduction
Sludge treatment and management is globally a growing challenge for most countries:
— sludge is a by-product of water treatment process produced in large quantities as new wastewater
treatment facilities are built and the existing ones are upgraded to keep up with the population
growth;
— sludge treatment and disposal constitutes one of the most significant costs associated with water
and wastewater treatment;
— stricter regulations on conventional outlets such as beneficial agricultural land, composting,
landfilling require more treatment due to concerns about the long-term impacts on public health
and environment;
— sludge is now being considered as a source of renewable energy, and also a source of valuable
components such as carbon and nutrients.
The growing trend to recover energy and resources from waste sludge and stricter regulations on
outlets have created interest in a number of thermal treatments and may meet, under certain conditions,
the circular economy principles.
The objective of this document is to pragmatically present the methods for thermal treatment of sludge
by covering the different process fundamentals, the associated technologies and operational aspects,
the management of energy, valuables and residues, the aspects related to impacts and integration of
installations referring to them.
Figure 1 highlights the thermal processes covered according to their main function and operating
temperature.
NOTE The processes listed in the right column and connected to conversion and drying as main functions
also achieve the sludge stabilization.
Figure 1 — Thermal processes covered by this document
TECHNICAL REPORT ISO/TR 20736:2021(E)
Sludge recovery, recycling, treatment and disposal —
Guidance on thermal treatment of sludge
1 Scope
This document describes good practices for the incineration and other organic matter treatment by
thermal processes of sludges.
Thermal conditioning is excluded.
This document applies to sludges specifically derived from:
— storm water handling;
— night soil;
— urban wastewater collecting systems;
— urban wastewater treatment plants;
— treating industrial wastewater similar to urban wastewater.
It includes all sludge that may have similar environmental and/or health impacts but excludes hazardous
sludge from industry and dredged sludge.
2 Normative references
There are no normative references in this document.
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.
ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: available at http:// www .electropedia .org/
3.1
melting
thermal treatment which makes sludge or ash temperature raising over melting point of sludge
inorganic substances
3.2
drying
thermal treatment for evaporating water from dewatered sludge to control water content by heating
3.3
carbonization
part of pyrolysis (3.4), focusing on production of a solid secondary resource so-called bio-charcoal
3.4
pyrolysis
thermal treatment without supply of oxygen
[SOURCE: CEN/TR 16788, 3.4]
3.5
gasification
thermal treatment with less than the stoichiometric supply of oxygen or air (partial combustion)
3.6
char
combination of non-combustible materials and carbon produced from devolatization, gasification (3.5),
pyrolysis (3.4) or carbonization (3.3) process
3.7
bio-charcoal
biochar
solid secondary resource, generated from carbonization (or pyrolysis) process
3.8
thermal treatment
treatment in which heat is applied to remove moisture, microbial content and organic compounds
3.9
thermal process
technique for the application of thermal treatment (3.8)
3.10
combined treatment
treatment of sludge and other waste in the same device
3.11
furnace
enclosed chamber where combustion of organic matter takes place
3.12
boiler
specific part of the thermal treatment plant where heat exchange takes place in view of recovering heat
and energy
3.13
flue gas treatment
any physical or chemical process aimed at cleaning the gas emission resulting from the thermal
treatment (3.8) with regard to their discharge into the atmosphere
3.14
bottom ash
combustion residue collected at the bottom of a combustion furnace
3.15
fly ash
solid material that is entrained in a flue gas stream
3.16
energy recovery
use of combustible waste as a means to generate energy through thermal treatment with recovery of
heat
2 © ISO 2021 – All rights reserved

3.17
recycling
activity in a production process to process waste materials for the original purpose or for other
purposes, excluding energy recovery (3.16)
3.18
slag
partially glassy by-product obtained by cooling a mineral liquid phase
3.19
energy efficiency
amount of energy and/or heat recovery in relation to the energy content of input material
3.20
wet oxidation
wet air oxidation
aqueous-phase oxidation of organics under pressure, using either air or oxygen as the oxidant
3.21
syngas
mixture of gases (including carbon monoxide, hydrogen, methane, etc.) produced from gasification (3.5)
or pyrolysis (3.4) process
3.22
combustion
chemical and exothermic reaction with full oxidation of combustible materials
3.23
autothermal conditions
conditions that keep combustion without auxiliary fuel and/or other external energy
3.24
paste-like sludge
sludge capable of continuous flow under the effect of pressure above a certain threshold and having a
shear resistance below a certain threshold
[SOURCE: CEN/TR 15463, 1.2.b]
3.25
solid sludge
sludge having a shear resistance above a certain threshold
[SOURCE: CEN/TR 15463, 1.2.c]
4 Abbreviated terms
BAT Best available technology
CFBF Circulating fluidized bed furnace
DM Dry matter
FBF Fluidized bed furnace
GCV Greater (or gross) calorific value
LCV Lower (or net) calorific value
LOI Loss on ignition
MHF Multiple hearth furnace
MSW Municipal solid waste
PFBF Pressurized fluidized-bed furnace
SCR Selective catalytic reduction
SNCR Selective not catalytic reduction
3T Temperature, turbulence and (residence) time
5 Sludge properties
5.1 General
Sludge characterization for the assessment of thermal processes involves the evaluation of both
technical and economic parameters. The main technical characteristics to evaluate the suitability
of thermal process are DM or moisture content, calorific value, ash content. The main economic
parameters are cost of processing, collection and transport, and the characteristics of the recovered
materials and by-products.
5.2 Physico-chemical characteristics
5.2.1 General
The main physico-chemical characteristics to be taken into account are:
— DM (or moisture content);
— loss on ignition;
— calorific value;
— amount of grease, scum and screenings.
Physical consistency, together with rheological properties, also play an important role, especially as far
as the design of feeding system is concerned.
5.2.2 Dry matter
The DM, or moisture content, is of primary importance for thermal processes because it strongly affects
the LCV of organic material which decreases when the moisture content increases.
In thermal processing of sewage sludge DM is a parameter affecting both fuel requirement and exhaust
gas production. Generally, any increase in DM is believed to be beneficial in the combustion for the
reduction in fuel requirement. When the condition for autothermal combustion, at a given temperature,
is reached the increase in DM corresponds also to a decrease in combustion gases production. Any
further increase of DM beyond the limit of autothermal combustion involves a more abundant gas
production, due to dilution air or water needed for the control of the combustion chamber temperature
depending on design of incineration plant. However, the use of water, reduces the quantity of recoverable
heat in the boiler.
5.2.3 Loss on ignition
The loss on ignition represents the portion mass escaping as gas as a result of the ignition of the dry
mass of sludge.
4 © ISO 2021 – All rights reserved

The loss of ignition is generally used as a measure of the volatile matter content but it should be noted
that inorganic substances or decomposition products (e.g. H O, CO , SO , O ) are released or absorbed
2 2 2 2
and some inorganic substances are volatile under the reaction conditions.
It is measured by heating sludge in a furnace at 550 °C ± 25 °C (see Reference [4]) or 600 °C ± 25 °C
(see Reference [18]) and expressed as percent of the dry mass. The loss on ignition can be used as an
assessment of the organic part of the sludge, and is therefore related to its heat value.
The presence in the sludge of iron with oxidation during ignition from iron (II) to iron (III), and of
calcium hydroxide or calcium oxide, when sludge is conditioned with lime, can involve decreasing of the
loss on ignition value (see EN 15935).
5.2.4 Calorific value
Calorific value of sludge is a very important parameter for the evaluation of thermal processes, as
it represents the heat quantity developed in the combustion process by the unit mass of material in
standard conditions.
The calorific value can be expressed as (see EN 15170):
— GCV at constant volume which is absolute value of the specific energy of combustion, in Joules, for
unit mass of a solid sludge burned in oxygen in a calorimetric bomb under the conditions specified.
The products of combustion are assumed to consist of gaseous oxygen, nitrogen, carbon dioxide and
sulfur dioxide, of liquid water (in equilibrium with its vapour) saturated with carbon dioxide under
the conditions of the bomb reaction, and of solid ash, all at the reference temperature;
— LCV obtained by calculation from the gross calorific value provided that either the hydrogen content
of the sludge or the amount of water found in the combustion test can be determined.
Sludge usually contains much water, combustible and incombustible solids. Therefore, their calorific
value, especially on the “as received” basis is quite low.
The calculation of calorific value of sludge can be expressed per LOI (loss on ignition) or DM.
Typical calorific values of municipal wastewater sludge range from 22,1 MJ/kg LOI to 24,4 MJ/kg LOI
(anaerobically digested primary) to 23,3 MJ/kg LOI to 27,9 MJ/kg LOI (raw primary). Secondary sludge
displays values between 20,7 MJ/kg LOI and 24,4 MJ/kg LOI.
Given typical values of organic matter content (LOI), the calorific value of sludge would generally be in
the range of 12 MJ/kg to 17 MJ/kg DM for non-digested sludge, 10 MJ/kg to 12 MJ/kg DM for digested
sludge.
GCV and LCV values can be calculated according to the standard method EN 15170, while the procedures
for the theoretical calculation of GCV and LCV are reported in Annex A.
5.2.5 Grease, scum and screening
Grease, scum and screenings can be thermally treated together with sludge but generally they pose
several problems.
Screenings clog feed mechanisms for certain types of furnace and therefore grinding or shredding is
advisable before feeding. Screenings also contain bulky and incombustible materials, which create
problems in the ash disposal system.
Skimmed material generally contains more than 95 % moisture and therefore should be dewatered
to at least 25 % solids before treatment. Skimming is difficult to handle in the dewatered state due to
its viscosity and a heating process to 70 °C to 80 °C is generally requested to get skimming pumpable.
After dewatering, scum solids should be ground to a size not exceeding 6 mm. GCV of skimming and
screenings are in the range 37 000 to 44 000 kJ/kg DM and 23 000 to 25 600 kJ/kg DM, respectively.
Quantities of screenings are strictly dependent on the screen openings. They can vary in the range
−6 3 3 −6 3 3
of 3 × 10 m /m to 40 × 10 m /m of sewage for openings of 12 mm to 25 mm (the upper limits apply
to the reduced openings). As dewatered sludge production can be approximately evaluated in 1 l/m of
sewage, the screenings production can be accounted in approximately 0,2 % to 4 % in mass of sludge
3 3
production, considering that the density of wet screenings is 640 kg/m to 1 000 kg/m .
Quantities of scum are very much dependent on the quality of the sewage and on the collecting system
in the wastewater treatment plant. The highest values can be as high as 17 g of DM/m of sewage which
means up to 1,7 % of sludge production. At a concentration of 25 % this value increases to 6,8 %.
The quantity of any added material, especially grease, scum and screening, is limited by the capacity
and the efficiency of the gas treatment.
5.2.6 Physical consistency and others
The physical consistency of the sludge influences the selection and design of thermal processes.
Therefore, the evaluation of specific parameters giving information on this aspect (e.g. flowability,
solidity, piling behaviour) appears useful in this designing step (see Reference [2]).
Other characteristics influencing thermal processes are particle size, bulk density and morphology.
5.3 Chemical and microbiological characteristics
5.3.1 General
The main characteristics to be taken into account are:
— sulfur;
— phosphorus;
— nitrogen;
— chlorine and other halogens;
— organic micro pollutants;
— trace elements (especially mercury);
— pathogens.
The presence of the above-mentioned chemicals should be known in order to prevent or minimize toxic
emissions (gaseous, liquid, solid) from thermal processes.
Typical elemental composition depends also on the type of sludge, primary, activated or digested
primary sludge (see Reference [13] for more details).
5.3.2 Sulfur
The sulfur content of sewage sludge ranges generally from 0,5 % to 2,1 % of DM.
In anaerobic digestion, sulfate is converted to sulphide by sulfate reducing bacteria. Some of it
precipitates with iron and other metals as insoluble sulphides, while some other is stripped as hydrogen
sulphide and is transferred to the biogas stream from which it can be removed by scrubbers. The amount
of residual sulphides in anaerobically digested sludge is proportional to the metal content in the raw
sludge. If sludge is not treated anaerobically, most of the sulfate remains in solution as such. If sulfate
containing compounds are used as inorganic conditioners in thickening and dewatering, sulfur content
increases. Sometimes, this can affect the cost of acid gas removal (e.g. in flue gas desulfurization).
Because a fraction of the sulfur is present in the oxidized sulfate form, not all of this sulfur is converted
6 © ISO 2021 –
...

RAPPORT ISO/TR
TECHNIQUE 20736
Première édition
2021-07
Valorisation, recyclage, traitement
et élimination des boues — Lignes
directrices pour le traitement
thermique des boues
Sludge recovery, recycling, treatment and disposal — Guidance on
thermal treatment of sludge
Numéro de référence
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CH-1214 Vernier, Genève
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E-mail: [e-mail]
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Publié en Suisse
ii
Sommaire Page
Avant-propos . vi
Introduction .vii
1 Domaine d'application .1
2 Références normatives .1
3 Termes et définitions . 1
4 Abréviations . 3
5 Propriétés des boues . 4
5.1 Généralités . 4
5.2 Caractéristiques physico-chimiques . 4
5.2.1 Généralités . 4
5.2.2 Matière sèche . 4
5.2.3 Perte au feu . 5
5.2.4 Pouvoir calorifique . 5
5.2.5 Graisses, écumes et refus de dégrillage . 5
5.2.6 Consistance physique et autres paramètres . 6
5.3 Caractéristiques chimiques et microbiologiques . 6
5.3.1 Généralités . 6
5.3.2 Soufre . 7
5.3.3 Phosphore . 7
5.3.4 Azote . 7
5.3.5 Chlore et autres halogènes . 7
5.3.6 Micropolluants organiques . 8
5.3.7 Éléments traces . 8
5.3.8 Agents pathogènes . 9
6 Principes fondamentaux des procédés thermiques. 9
6.1 Généralités . 9
6.2 Séchage . 9
6.3 Hydrolyse . 10
6.4 Incinération . 11
6.5 Pyrolyse . 13
6.6 Gazéification . 14
6.7 Thermolyse . 15
6.8 Carbonisation . 15
6.9 Oxydation par voie humide .15
6.10 Fusion . 16
6.11 Pasteurisation . 16
7 Technologies .17
7.1 Généralités . 17
7.2 Séchage . 17
7.2.1 Sécheurs directs . 17
7.2.2 Sécheurs indirects . 21
7.2.3 Sécheurs solaires.23
7.3 Hydrolyse . 24
7.4 Incinération . 25
7.4.1 Four à lit fluidisé . 25
7.4.2 Four à soles étagées (MHF) .29
7.4.3 Four hybride . 32
7.4.4 Autres . 33
7.5 Pyrolyse .34
7.6 Gazéification .34
7.7 Thermolyse . 37
7.8 Carbonisation . 37
iii
7.9 Oxydation par voie humide .38
7.10 Fusion .38
7.11 Pasteurisation .40
7.12 Technologies émergentes . 41
7.12.1 Généralités . 41
7.12.2 Technologies d'oxydation . 41
7.12.3 Hydrolyse enzymatique des boues . 42
7.12.4 Gazéification au plasma . 42
7.12.5 Pré-traitement aux ultrasons. 42
7.12.6 Irradiation aux micro-ondes . 43
7.12.7 Rayonnement infrarouge . 43
7.13 Aspects relatifs à la conception . 43
7.14 Équipement auxiliaire .44
7.14.1 Généralités .44
7.14.2 Systèmes de transport, zone de réception, systèmes de stockage et
d'alimentation .44
7.14.3 Alimentation et récupération de chaleur .44
7.14.4 Traitement du gaz . 45
7.14.5 Manutention des cendres et autres résidus . 45
7.14.6 Traitement des eaux usées .46
7.14.7 Surveillance du processus .46
7.14.8 Systèmes de sécurité .46
8 Aspects opérationnels .46
8.1 Généralités .46
8.2 Séchage . 47
8.3 Hydrolyse .48
8.4 Incinération .48
8.4.1 Généralités .48
8.4.2 Four à lit fluidisé .49
8.4.3 Four à soles étagées .50
8.5 Pyrolyse . 51
8.6 Gazéification . 51
8.7 Thermolyse . 51
8.8 Carbonisation . 51
8.9 Oxydation par voie humide . 52
8.10 Fusion . 52
8.11 Pasteurisation . 52
8.12 Dangers . 52
9 Gestion de l'énergie et des ressources secondaires .53
9.1 Généralités . 53
9.2 Séchage . 53
9.3 Hydrolyse . 53
9.4 Incinération .53
9.5 Pyrolyse .54
9.6 Gazéification .56
9.7 Thermolyse .56
9.8 Carbonisation .56
9.9 Oxydation par voie humide . 57
9.10 Fusion . 57
9.11 Pasteurisation .58
9.12 Traitements thermiques et économie circulaire .58
10 Gestion des résidus .59
10.1 Généralités . 59
10.2 Gaz de combustion . 59
10.2.1 Caractéristiques et paramètres . 59
10.2.2 Appareillage. 61
10.3 Cendres .64
iv
10.3.1 Composition/paramètres .64
10.3.2 Procédés et équipements .65
10.4 Eaux usées .65
11 Mise hors service des installations .66
11.1 Généralités .66
11.2 Considérations particulières .66
12 Co-gestion avec les autres déchets organiques .66
12.1 Généralités .66
12.2 Considérations particulières .68
12.3 Autres aspects liés au stockage et au transport . 70
12.3.1 Généralités . 70
12.3.2 Stockage . 70
12.3.3 Transport . 71
13 Évaluation du développement durable .71
13.1 Généralités . 71
13.2 Aspects environnementaux .72
13.3 Aspects économiques .72
13.4 Aspects sociaux.72
Annexe A (informative) Calculs du pouvoir calorifique .74
Annexe B (informative) Différents systèmes d'introduction de boues dans une installation
d'incinération de déchets ménagers .76
Annexe C (informative) Études de cas . .78
Annexe D (informative) Aspects réglementaires .92
Bibliographie .95
v
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux.
L'ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents
critères d'approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document
a été rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2
(voir www.iso.org/directives).
L'attention est attirée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l'élaboration du document sont indiqués dans l'Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l'ISO (voir www.iso.org/brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l'intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l'ISO liés à l'évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l'adhésion
de l'ISO aux principes de l'Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir www.iso.org/iso/fr/avant-propos.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 275, Valorisation, recyclage,
traitement et élimination des boues.
Il convient que l'utilisateur adresse tout retour d'information ou toute question concernant le présent
document à l'organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes
se trouve à l'adresse www.iso.org/fr/members.html.
vi
Introduction
Le traitement et la gestion des boues représentent une problématique de plus en plus difficile pour la
plupart des pays du monde entier:
— les boues sont un sous-produit du procédé de traitement de l'eau et sont produites en grandes
quantités alors que de nouvelles stations d'épuration sont construites et que les installations
existantes sont modernisées pour s'adapter à la croissance démographique;
— le traitement et l'élimination des boues représentent l'un des coûts les plus importants associés au
traitement de l'eau et des eaux usées;
— les réglementations plus strictes imposées sur les points de restitution classiques, comme pour
la gestion bénéfique des terres agricoles, le compostage et la mise en décharge, nécessitent plus
de traitements en raison des problèmes liés aux impacts à long terme sur la santé publique et
l'environnement;
— les boues sont maintenant considérées comme une source d'énergie renouvelable et également
comme une source de composants précieux, notamment le carbone et les nutriments.
La tendance croissante à valoriser l'énergie et les ressources provenant des boues d'épuration et
l'application de réglementations plus strictes sur les points de restitution ont suscité un intérêt pour
divers traitements thermiques et peuvent, dans certaines conditions, répondre aux principes de
l'économie circulaire.
L'objectif du présent document est de décrire de façon pragmatique les méthodes de traitement
thermique des boues, en couvrant les concepts fondamentaux des différents procédés, les technologies
et aspects opérationnels associés, la gestion de l'énergie, des ressources de valeur et des résidus, ainsi
que les aspects liés aux impacts et à l'intégration des installations qui y font référence.
La Figure 1 met en évidence les procédés thermiques couverts selon leur principale fonction et leur
température de fonctionnement.
vii
NOTE Les procédés répertoriés dans la colonne de droite qui sont reliés aux principales fonctions de
conversion et de séchage permettent de stabiliser les boues.
Figure 1 — Procédés thermiques couverts par le présent document
viii
RAPPORT TECHNIQUE ISO/TR 20736:2021(F)
Valorisation, recyclage, traitement et élimination des
boues — Lignes directrices pour le traitement thermique
des boues
1 Domaine d'application
Le présent document décrit les bonnes pratiques applicables pour l'incinération et les autres traitements
de matières organiques reposant sur le traitement thermique des boues.
Le conditionnement thermique ne fait pas l'objet du présent document.
Le présent document s'applique aux boues provenant spécifiquement:
— de la collecte des eaux pluviales;
— des matières de vidange;
— des systèmes de collecte des eaux usées urbaines;
— des stations d'épuration des eaux usées urbaines;
— des stations d'épuration des eaux industrielles assimilées aux eaux usées urbaines.
Il comprend toutes les boues pouvant avoir des impacts environnementaux et/ou sanitaires similaires,
à l'exclusion des boues industrielles dangereuses.
2 Références normatives
Le présent document ne contient aucune référence normative.
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants s’appliquent.
L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse https:// www .electropedia .org/
3.1
fusion
traitement thermique qui consiste à élever la température des boues ou des cendres au-delà du point de
fusion des substances minérales des boues
3.2
séchage
traitement thermique qui consiste à évaporer l'eau des boues déshydratées pour contrôler la teneur en
eau par chauffage
3.3
carbonisation
partie d'une pyrolyse (3.4) qui se concentre sur la production d'une ressource secondaire solide appelée
biocharbon
3.4
pyrolyse
traitement thermique sans alimentation en oxygène
[SOURCE: CEN/TR 16788, 3.4]
3.5
gazéification
traitement thermique avec une alimentation en oxygène ou en air en quantité hypostœchiométrique
(combustion partielle)
3.6
résidu carboné
combinaison de matériaux non combustibles et de carbone produit par le procédé d'élimination des
matières volatiles, de gazéification (3.5), de pyrolyse (3.4) ou de carbonisation (3.3)
3.7
biocharbon
ressource secondaire solide générée à partir du procédé de carbonisation (ou de pyrolyse)
3.8
traitement thermique
traitement dans lequel de la chaleur est appliquée dans le but d'éliminer l'humidité, la charge
microbienne et les composés organiques
3.9
procédé thermique
technique d'application d'un traitement thermique (3.8)
3.10
traitement combiné
traitement de boues et d'autres déchets dans le même dispositif
3.11
four
enceinte fermée où se produit la combustion des matières organiques
3.12
chaudière
partie spécifique de l'usine de traitement thermique où se produit l'échange de chaleur en vue de la
récupération de chaleur et d'énergie
3.13
traitement des gaz de combustion
tout procédé physique ou chimique visant à épurer les émissions gazeuses résultant du traitement
thermique (3.8) en vue de leur rejet dans l'atmosphère
3.14
mâchefer
résidus de combustion recueillis à la sortie basse d'un four d'incinération
3.15
cendre volante
matière solide entraînée par les fumées
3.16
valorisation énergétique
utilisation de déchets combustibles en vue d'une production d'énergie, par traitement thermique avec
récupération de la chaleur
3.17
recyclage
activité réalisée dans un processus de production consistant à transformer des déchets en vue d'une
application selon leur usage initial ou à d'autres fins, à l'exclusion de la valorisation énergétique (3.16)
3.18
scorie
sous-produit partiellement vitrifié obtenu par refroidissement d'une phase liquide minérale
3.19
efficacité énergétique
quantité d'énergie et/ou de récupération de chaleur par rapport à la teneur énergétique du matériau
d'entrée
3.20
oxydation par voie humide
oxydation en phase aqueuse de composants organiques sous pression, utilisant soit de l'air soit de
l'oxygène comme agent d'oxydation
3.21
gaz de synthèse
mélange de gaz (y compris monoxyde de carbone, hydrogène, méthane, etc.) produits par le procédé de
gazéification (3.5) ou de pyrolyse (3.4)
3.22
combustion
réaction chimique et exothermique accompagnée d'une oxydation complète des matériaux combustibles
3.23
conditions autothermes
conditions qui maintiennent une combustion sans combustible auxiliaire et/ou autre énergie extérieure
3.24
boues pâteuses
boues capables de s'écouler en continu sous l'action d'une pression supérieure à un certain seuil et
présentant une résistance au cisaillement inférieure à un certain seuil
[SOURCE: CEN/TR 15463, 1.2.b]
3.25
boues solides
boues présentant une résistance au cisaillement supérieure à un certain seuil
[SOURCE: CEN/TR 15463, 1.2.c]
4 Abréviations
3T Température, turbulence et temps (de séjour)
CFBF Four à lit fluidisé circulant (Circulating Fluidized Bed Furnace)
DM Déchets solides ménagers
FBF Four à lit fluidisé (Fluidized Bed Furnace)
MHF Four à soles étagées (Multiple Hearth Furnace)
MS Matière sèche
MTD Meilleure technologie disponible
PAF Perte au feu
PCI Pouvoir calorifique inférieur (ou net)
PCS Pouvoir calorifique supérieur (ou brut)
PFBF Four à lit fluidisé sous pression (Pressurized Fluidized-Bed Furnace)
SCR Réduction catalytique sélective (Selective Catalytic Reduction)
SNCR Réduction sélective non catalytique (Selective Not Catalytic Reduction)
5 Propriétés des boues
5.1 Généralités
La caractérisation des boues pour l'évaluation des procédés thermiques implique l'évaluation des
paramètres à la fois techniques et économiques. La MS ou la teneur en eau, le pouvoir calorifique et la
teneur en cendres sont les principales caractéristiques techniques permettant d'évaluer si le traitement
thermique convient. Les principaux paramètres économiques sont les coûts de traitement, de collecte
et de transport, et les caractéristiques des matériaux récupérés et des sous-produits.
5.2 Caractéristiques physico-chimiques
5.2.1 Généralités
Les principales caractéristiques physico-chimiques à prendre en compte sont les suivantes:
— la MS (ou teneur en humidité);
— la perte au feu;
— le pouvoir calorifique;
— la quantité de graisses, d'écumes et de refus de dégrillage.
La consistance physique et les propriétés rhéologiques jouent aussi un rôle important, en particulier
pour la conception du système d'alimentation.
5.2.2 Matière sèche
La MS, ou la teneur en eau, revêt une importance de premier ordre pour les procédés thermiques dans
la mesure où elle affecte fortement le PCI d'une matière organique, qui diminue en même temps que la
teneur en eau augmente.
Dans le cadre du traitement thermique des boues d'épuration, la MS est un paramètre qui affecte à la fois
la demande en combustible et la production de gaz de combustion. Généralement, toute augmentation
de la MS est considérée comme bénéfique pour la réduction de la demande en combustible. Lorsque les
conditions de la combustion autotherme sont atteintes à une température donnée, l'augmentation de la
MS correspond également à une diminution de la production de gaz de combustion. Toute augmentation
supplémentaire de MS au-delà de la limite de la combustion autotherme entraîne une production de gaz
plus importante, en raison de l'air de dilution ou de l'eau nécessaire à la régulation de la température
dans la chambre de combustion, selon la conception de l'usine d'incinération. L'utilisation de l'eau, en
revanche, réduit la quantité d'énergie récupérable dans la chaudière.
5.2.3 Perte au feu
La perte au feu représente la fraction massique qui s'échappe sous forme de gaz suite à la combustion
de la masse sèche des boues.
La perte au feu est généralement utilisée comme mesure de la teneur en matière volatile, mais il convient
de noter que des substances minérales ou des produits de décomposition (par exemple H O, CO , SO ,
2 2 2
O ) sont libérés ou absorbés et que certaines substances minérales sont volatiles dans les conditions de
réaction.
Elle est mesurée en chauffant les boues dans un four à 550 °C ± 25 °C (voir Référence [4]) ou
à 600 °C ± 25 °C (voir Référence [18]) et est exprimée en pourcentage de la masse sèche. La perte au
feu peut être utilisée pour évaluer la fraction organique des boues et est donc corrélée à leur valeur
calorifique.
La valeur de la perte au feu peut diminuer lorsque les boues conditionnées à la chaux contiennent du
fer qui s'oxyde pendant la combustion pour passer de l'état de fer (II) à l'état de fer (III), ainsi que de
l'hydroxyde de calcium ou de l'oxyde de calcium (voir EN 15935).
5.2.4 Pouvoir calorifique
Le pouvoir calorifique des boues est un paramètre très important dans l'évaluation des procédés
thermiques, car il représente la quantité de chaleur qui se développe au cours du processus de
combustion par unité de masse du matériau dans des conditions standard.
Le pouvoir calorifique peut être exprimé comme suit (voir EN 15170):
— PCS à volume constant, qui est la valeur absolue de l'énergie spécifique de combustion, en joules,
par unité de masse de boue solide, brûlée dans l'oxygène dans une bombe calorimétrique, dans les
conditions spécifiées. Les produits de combustion sont supposés être les suivants: oxygène gazeux,
azote, dioxyde de carbone et dioxyde de soufre, eau à l'état liquide (en équilibre avec la vapeur
qu'elle contient), saturés avec du dioxyde de carbone dans les conditions de réaction de la bombe, et
cendres solides, à la température de référence;
— PCI obtenu en calculant le pouvoir calorifique brut, à condition de pouvoir déterminer la teneur en
hydrogène des boues ou la quantité d'eau relevée au cours de l'essai de combustion.
Les boues contiennent habituellement une grande quantité d'eau et de solides combustibles et non
combustibles. Leur pouvoir calorifique, et plus particulièrement «en l'état», est donc relativement faible.
Le calcul du pouvoir calorifique des boues peut être exprimé sur la base de la PAF (perte au feu) ou de
la MS.
Le pouvoir calorifique type des boues issues d'eaux usées municipales varie généralement entre 22,1 MJ/
kg et 24,4 MJ/kg de perte au feu (boues primaires digérées par voie anaérobie) et entre 23,3 MJ/kg et
27,9 MJ/kg (boues primaires fraîches). Pour les boues secondaires, il est compris entre 20,7 MJ/kg et
24,4 MJ/kg de perte au feu.
Avec les valeurs types de teneur en matière organique, le pouvoir calorifique serait généralement
compris entre 12 MJ/kg et 17 MJ/kg de matière sèche pour les boues non digérées et entre 10 MJ/kg et
12 MJ/kg de matière sèche pour les boues digérées.
Les valeurs PCS et PCI peuvent être calculées selon la méthode décrite dans la norme EN 15170. Les
procédures de calcul théorique du PCS et du PCI sont indiquées en Annexe A.
5.2.5 Graisses, écumes et refus de dégrillage
Les graisses, écumes et refus de dégrillage peuvent être traités thermiquement en même temps que les
boues mais ceci pose généralement plusieurs problèmes.
Les refus de dégrillage ont tendance à obstruer les mécanismes d'alimentation de certains types de four
et c'est pourquoi il est recommandé de procéder au broyage ou à la désintégration avant l'alimentation.
Les refus de dégrillage contiennent également des matières compactes et incombustibles, ce qui pose
des problèmes dans le système d'élimination des cendres.
L'écume contient généralement plus de 95 % d'eau et il convient, par conséquent, de la déshydrater à
au moins 25 % de matières solides avant traitement. En raison de sa viscosité, l'écume est difficile à
manipuler une fois déshydratée; un chauffage entre 70 °C et 80 °C est généralement nécessaire pour que
l'écume puisse être pompée. Après déshydratation, il convient de broyer ces matières solides d'écume
pour atteindre une granulométrie inférieure ou égale à 6 mm. Les valeurs de PCS de l'écume et des
refus de dégrillage sont comprises respectivement entre 37 000 kJ/kg et 44 000 kJ/kg de matière sèche
et entre 23 000 kJ/kg et 25 600 kJ/kg de matière sèche.
Les quantités de refus de dégrillage dépendent strictement des ouvert
...