« Chercheurs d’eau »

Ou le traitement des eaux usées et des boues d’épuration

Institut St Joseph d’Etterbeek

5ème Technique Qualification ChimieRue Félix Hap, 14B1040 Etterbeek

Tél.: 02-735.81.10Fax: 02-732.56.27

Printemps des sciences, ULBdu 31 mars au 6 avril 2003

Sommaire Eaux usées :

Origines & composition Traitement

• Mécanique• Biologique• Chimique

Boues d’épuration : Composition

• Fraction organique• Fraction minérale

Problématiques Traitements

• Oxydation par voie humide (OVH)• Incinération

Origines & composition

Protéines Sucres Graisses (produits d’entretien, urines, selles)

Organique : Pollution domestique

Composés azotés Composés phosphorés

Nutriments et engrais : Pollution agricole

Cuivre, Zinc, Plomb (corrosion des conduites) Autres : Hg, Ni, Cd, Cr, etc.

Métaux lourds : Pollution industrielle

Traitement des eaux usées

Prédégrillage

Dessablage

Déshuilage

Décantation [1]

Traitement mécanique :

But : Eliminer les gros déchets

But : Décantation du sable et des particules lourdes

But : Récupération des huiles, graisses et hydrocarbures

But : Sédimentation [2] des particules solides (2h)

Elimination d’environ un tiers des substances contenues dans les eaux usées après les traitements mécaniques

Echantillon A : eau après prédégrillage

Traitement des eaux uséesTraitement biologique :

Phase aérobie [3]

Utilisation des boues activées et apport d’oxygène pour la minéralisation des composés organiques (80% à 90%).(1) Substances organiques + O2 CO2 + PO4

3- + SO42- + NO3

-

Nitrification par bactéries (nitrosomas, nitrobacter)des ions ammonium (NH4

+) issus de la décomposition des protéines.(2) NH4

+ NO2- NO3

-

Boue activée

Boue issue des eaux usées mélangée avec les boues des fosses septiques contenant les bactéries actives.

Traitement des eaux uséesTraitement biologique :

Phase anaérobie [4]

Dénitrification des ions nitrates (NO3-) par bactéries

anaérobiques (pseudomonas) qui puisent l’oxygène dans lesdits ions et rejettent de l’azote gazeux.(3) NO3

- NO2- N2

60% à 90% de NOx- sont dénitrifiés.

Les nitrates sont des fertilisants,mais ils contribuent à l’eutrophisation [5] des rivières.

Traitement des eaux uséesTraitement biologique

Tra

item

en

t ch

imiq

ue

Tra

item

en

t m

écan

iqu

e

Boues activées

Phaseaérobie

Phaseanaérobie

(1) Minéralisation

Oxygénation

(2) (3)

Nitrification Dénitrification

Echantillon B : eau issue du bassin de traitement biologique

Traitement des eaux uséesPhase anaérobiePhase aérobie

NH4+

NO3-

NO2-

N2

NO3-

NO2-

Nitrosomonas

Nitrobacter

Pseudomonas

PseudomonasNit

rifi

cati

on

Dén

itri

ficati

on

(2) (3)

Traitement des eaux usées

Composés organiques (25 mg/L) Métaux lourds Nitrates (10 à 12 mg/L) Phosphates (3 à 5 mg/L) Agents potentiellement infectieux Médicaments, antibiotiques

Traitement biologique :Résidus après traitements

Echantillon C : eau en fin de traitement (qualité piscicole)

Traitement des eaux uséesTraitement chimique :

Elimination des phosphates résiduels

Les phosphates sont éliminés par additions de sels de fer III ou d’aluminium. Les phosphates de fer et d’aluminium sont très peu solubles dans l’eau, ils précipitent et sédimentent dans le fond du bassin.

Le traitement des phosphates est facultatif.

PO4(aq)3 AlCl3(aq) 3Cl(aq)

AlPO4(s)

PO4(aq)3 FeCl3(aq) 3Cl(aq)

FePO4(s)

Composition des bouesB

OU

E

Eau

95%Organiques

Minérales

Matières sèches

70%

30%

50%

50%

de

5%

à

Fraction organique

Protéines 30%

Graisses 13%

Matières fibreuses 33%

Hydrates de carbone non fibreux [6] 24%

Composition :

Composition élémentaire :

Carbone 53%

Hydrogène 7,7%

Oxygène 33,5%

Azote 5%

Soufre 0,8%

Fraction organique

Esters phtaliques 1 à 100 ppm

Hydrocarbures aromatiques polycycliques 0,01 à 50 ppm

Biphényles polychlorés (dioxines) 0,15 à 9 ppm

Pesticides (DDT, Lindane, Aldrin) 0,1 à 5 ppm

Contaminants organiques :

*ppm : partie par million en masse, soit 1 ppm = 0,0001% en masse

Fraction organiqueO

O

O

O

H

H

Ester phtalique :

Composé produit par l’estérificationde l’acide phtalique. Acide phtalique

Cl

Cl

Cl

ClClDDT :

Pesticide pouvant intervenir dansla formation d’une dioxine (PCB).

DDT

Biphényles polychlorés (PCB) :

Cl1-Chloro-naphthalène

Ex: molécule chlorée possédant deux noyaux benzéniques (phényls).

Fraction minérale

Silice : SiO2

Alumine : Al2O3

Chaux : CaCO3

Magnésie : MgCO3

Composition essentielle :

Contaminants toxiques :

Zn 500 ppm Ni* 30 ppm

Cu* 400 ppm Cd* 5 ppm

Fe 200 ppm Mo 4 ppm

Pb* 120 ppm As 3 ppm

B 50 ppm Hg* 2 ppm

Cr* 50 ppm Se 2 ppm

* Principaux métaux lourds

Problématiques des boues Haute teneur en eau

Nécessite un épaississement ou séchage des boues Haute teneur en matières minérales

Présence de métaux lourds Micro organismes

Agents potentiellement infectieux

Traitement des boues Oxydation par voie humide (OVH) Incinération/Co-incinération Epandage agricole ?* Enfouissement technique (CET) ?*

* Procédé non durable toujours toléré

Echantillon E : Boue destinée à l’agriculture

Echantillon D : Cendres issues de l’incinération

Oxydation par voie humide L’oxydation par voir humide (OVH):

Réaction en phase aqueuse entre la matière organique et l’oxygène dissous à température et pression élevées

Les boues ne doivent pas être séchées Une substance peut s’oxyder

Soit directement Soit par l’intermédiaire de radicaux.

Un composé organique peut donc Soit se minéraliser Soit se transformer en composés plus simples à oxyder

et se minéraliser ensuite. Réactions Solide/Liquide ou Liquide/Liquide.

Oxydation par voie humide Mécanismes radicalaires :

RH O2 R HO2

RH HO2 R H2O2

H2O2 2OH

RH OH R H2O

R O2 ROO

Intervention du groupement hydroxyle (OH•)

H2O2 génère des radicaux OH• en présence des espèces organiques :

Oxydation par voie humide Mécanismes radicalaires :

ROO RH ROOH R

ROOH R' CHO OH

R' CHO OH R' CHO H2O

Formation d’acide carboxylique :

Transformation en aldéhyde :

R' CHO OH CH2CHO CH2

Oxydation par voie humide Mécanismes électrochimiques :

Les hydrocarbures et les acides carboxyliques sont réduits directement en présence d’oxygène dissout :

Réactions couplées avec la réduction de l’oxygène dissout :

O2 4H 4e 2H2O

CnH2n2 2nH2O nCO2 (6n 2)H (6n 2)e

HCOOH CO2 2H 2e

Oxydation par voie humide

Oxydation en phase aqueuse par O2 dissous Utilise les Boues brutes Emissions gazeuses limitées Emissions liquides renvoyées en tête de station Résidu solide inerte (technosables)

Pression : 30 à 150 Bar

Température : 200 à 300°C

Temps : 1 heure

Oxydation par voie humide

OVH

T=235°C

p=30 Bar

t=1 heure

Boues

O2

m=1000kg

m=250Kg

Gaz

m=310kg

73% d’eau

Solide

m=190kg50% Matière sèche

Effluent liquides

m=750kg

Oxydation par voie humide

Matièresorganiques

Minéralisées en : CO, CO2, H2O

Transformées en : Acide acétique,Acides gras et alcools

80%

20%

Azote (N)

70%

30%

Solubilisé en ammoniaque :NH4OH

Sous forme gazeuse : N2

Oxydation par voie humide

Phosphore (P) Oxydé en phosphates : PO43-

Chlore (Cl) Transformé en chlorures : Cl-

ex.: HCl

Soufre (S) Oxydé en sulfates : SO42-

Incinération Combustion dans une flamme avec production

de cendres Nécessite un séchage préalable des boues. Les atomes de C, H, S, N se combinent à

l’oxygène à haute température (T>600°C). Le temps de réaction est de l’ordre de la

seconde.

(CaHbNcOdSe ) nO2 aCO2 b

2O2 cNOx eSO2

Equation générale de combustion :

Incinération Combustion en phase gazeuse Utilise les Boues séchées Emissions gazeuses élevées Cendres

Pression : 1 atm

Température : 850°C

Temps : 2 secondes

Incinération

Incinération

T=850°C

p=1 atm

t=2 s

Boues

Air

m=1000kg

V=1700 Nm3

Gaz

V=2750 Nm3

Fumées + polluants

Solide

m=70kgCendres

Nm3 : Mètre cube normal (en CNTP)

Comparaison : OVH/Incinération

OVH Incinération

Boues brutes Boues séchées

p 30 à 150 Bar 1 atm*

T 200 à 300°C 850°C

t 1 heure 2 secondes

Oxydation par O2 dissousen phase liquide

Production de gaz limitée Résidu solide inerte

Combustion en phase gazeuse

Production de gaz élevée Cendres

* Unité de pression archaïque : 1 atm = 1 Bar

Glossaire

Biologie : Qui ne peut se développer qu’en présence d’air.Processus aérobies, qui se déroulent en présence d’oxygène.Ant. : anaérobie

[3] aérobie adj.

[4] anaérobie adj.

Biologie Qui ne peut vivre au contact de l'air.Processus anaérobies, qui se déroulent en l'absence d'oxygène.Ant. : aérobie

[1] décantation n. f.

Chimie : Action de décanter : Laisser reposer un liquide pour le séparer des matières solides qu'il tenait en suspension.

Glossaire

1. Dépôt formé par la précipitation de substances en suspension dans un liquide. 2. Dépôt abandonné par les eaux, les glaces ou le vent.

[2] sédiment n. m.

Biologie , écologie : Accroissement anarchique de la quantité de sels nutritifs d'un milieu, particularité d'une eau stagnante polluée par les résidus d'engrais ou par les rejets d'eau chaude (centrales électriques, etc.), qui provoque le pullulement de certaines espèces vivantes, la carence en oxygène, la production de vase, et l’opacification de l'eau.

[5] eutrophisation n.f.

Sucre non polymère.Ex.: Glucose, saccharose (nom commun : sucre), fructose

[6] Hydrate de carbone non fibreux

Bibliographie Guide « L’eau à Bruxelles » :

Coordination Senne, groupe de travail d’Escaut sans Frontière en collaboration avec Brussels by Water, édité avec le soutien de la Région de Bruxelles-Capitale.

Documents: Station d’épuration de la vallée de la Dyle. Documents: Incinérateur de Basse-Wavre.

« Traitements des boues d’épuration : comparaison entre les procédés d’OVH et d’incinération » :C Gisèle Jung,André Fontana (ULB), Didier Cretenot et Merzah Belkhodja (Vivendi Water Systems),249, 2002, L’eau, l’industrie, les nuisances.

Bibliographie Internet Dictionnaire universel francophone en ligne :

www.francophonie. hachette-livre.fr Autres sources :

www.ademe.fr www.aquiris.be

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