- PDF Free Download

Transcription

1 «Chercheurs d eau» Ou le traitement des eaux usées et des boues d épuration Printemps des sciences, ULB du 31 mars au 6 avril 2003 Institut S t Joseph d Etterbeek Rue Félix Hap, 14 B1040 Etterbeek Tél.: Fax: ème Technique Qualification Chimie

2 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

3 Origines & composition "Organique : Pollution domestique! Protéines! Sucres! Graisses (produits d entretien, urines, selles) "Nutriments et engrais : Pollution agricole! Composés azotés! Composés phosphorés "Métaux lourds : Pollution industrielle! Cuivre, Zinc, Plomb (corrosion des conduites)! Autres : Hg, Ni, Cd, Cr, etc.

4 Traitement des eaux usées Traitement mécanique : "Prédégrillage But : Eliminer les gros déchets "Dessablage But : Décantation du sable et des particules lourdes "Déshuilage But : Récupération des huiles, graisses et hydrocarbures "Décantation [1] Echantillon A : eau après prédégrillage But : Sédimentation [2] des particules solides (2h) Elimination d environ un tiers des substances contenues dans les eaux usées après les traitements mécaniques

5 Traitement des eaux usées Traitement biologique : "Boue activée Boue issue des eaux usées mélangée avec les boues des fosses septiques contenant les bactéries actives. "Phase aérobie [3] Utilisation des boues activées et apport d oxygène pour la minéralisation des composés organiques (80% à 90%). (1) Substances organiques + O 2 # CO 2 + PO SO NO 3 - Nitrification par bactéries (nitrosomas, nitrobacter) des ions ammonium (NH 4+ ) issus de la décomposition des protéines. (2) NH 4+ # NO 2- # NO 3 -

6 Traitement des eaux usées Traitement biologique : "Phase anaérobie [4] Dénitrification des ions nitrates (NO 3- ) par bactéries anaérobiques (pseudomonas) qui puisent l oxygène dans lesdits ions et rejettent de l azote gazeux. (3) NO 3- # NO 2- # N 2 60% à 90% de NO x- sont dénitrifiés. Les nitrates sont des fertilisants, mais ils contribuent à l eutrophisation [5] des rivières.

7 Traitement des eaux usées Traitement mécanique (1) Minéralisation Traitement biologique Phase aérobie Oxygénation Boues activées (2) (3) Nitrification Phase anaérobie Dénitrification Echantillon B : eau issue du bassin de traitement biologique Traitement chimique

8 Traitement des eaux usées Phase aérobie (2) (3) NH 4 + Phase anaérobie N 2 Nitrification NO 2 - Nitrosomonas Nitrobacter Pseudomonas Pseudomonas NO 2 - Dénitrification NO 3 - NO 3 -

9 Traitement des eaux usées Traitement biologique : "Résidus après traitements! Composés organiques (25 mg/l)! Métaux lourds! Nitrates (10 à 12 mg/l)! Phosphates (3 à 5 mg/l)! Agents potentiellement infectieux! Médicaments, antibiotiques Echantillon C : eau en fin de traitement (qualité piscicole)

10 Traitement des eaux usées Traitement 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. 3 PO 4(aq) 3 PO 4(aq) + FeCl 3(aq) 3Cl (aq) + AlCl 3(aq) 3Cl (aq) + FePO 4(s) + AlPO 4(s) Le traitement des phosphates est facultatif.

11 Composition des boues Eau 95% Matières sèches Organiques de 70% à 50% BOUE Minérales 30% 50% 5%

12 Fraction organique Composition : Protéines Graisses 30% 13% Matières fibreuses 33% Hydrates de carbone non fibreux [6] 24% Composition élémentaire : Carbone Hydrogène Oxygène Azote Soufre 53% 7,7% 33,5% 5% 0,8%

13 Fraction organique Contaminants organiques : Esters phtaliques Hydrocarbures aromatiques polycycliques Biphényles polychlorés (dioxines) Pesticides (DDT, Lindane, Aldrin) 1 à 100 ppm 0,01 à 50 ppm 0,15 à 9 ppm 0,1 à 5 ppm *ppm : partie par million en masse, soit 1 ppm = 0,0001% en masse

14 Fraction organique Ester phtalique : O Composé produit par l estérification de l acide phtalique. Acide phtalique O O O H H Cl Cl DDT : Pesticide pouvant intervenir dans la formation d une dioxine (PCB). Cl Cl Cl DDT Biphényles polychlorés (PCB) : Ex: molécule chlorée possédant deux noyaux Cl benzéniques (phényls). 1-Chloro-naphthalène

15 Fraction minérale Composition essentielle :! Silice : SiO 2! Alumine : Al 2 O 3! Chaux : CaCO 3! Magnésie : MgCO 3 Contaminants toxiques : Zn 500 ppm Cu* 400 ppm Fe 200 ppm Pb* 120 ppm B 50 ppm Cr* 50 ppm * Principaux métaux lourds Ni* Cd* Mo As Hg* Se 30 ppm 5ppm 4ppm 3ppm 2ppm 2ppm

16 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

17 Traitement des boues! Oxydation par voie humide (OVH)! Incinération/Co-incinération! Epandage agricole?*! Enfouissement technique (CET)?* * Procédé non durable toujours toléré Echantillon D : Cendres issues de l incinération Echantillon E : Boue destinée à l agriculture

18 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.

19 Oxydation par voie humide " Mécanismes radicalaires : Intervention du groupement hydroxyle (OH ) RH + O 2 R + HO 2 RH + HO 2 R + H 2 O 2 H 2 O 2 génère des radicaux OH en présence des espèces organiques : H 2 O 2 2OH RH + OH R + H 2 O R + O 2 ROO

20 Oxydation par voie humide " Mécanismes radicalaires : Formation d acide carboxylique : ROO + RH ROOH + R ROOH R' CHO + OH Transformation en aldéhyde : R' CHO + OH R' CHO + H 2 O R' CHO + OH CH 2 CHO + C H2

21 Oxydation par voie humide " Mécanismes électrochimiques : Les hydrocarbures et les acides carboxyliques sont réduits directement en présence d oxygène dissout : C n H 2n+2 + 2nH 2 O nco 2 + (6n + 2)H + + (6n + 2)e HCOOH CO 2 + 2H + + 2e Réactions couplées avec la réduction de l oxygène dissout : O 2 + 4H + + 4e 2H 2 O

22 Oxydation par voie humide! Oxydation en phase aqueuse par O 2 dissous! Utilise les Boues brutes! Emissions gazeuses limitées! Emissions liquides renvoyées en tête de station! Résidu solide inerte (technosables) Pression : Température : Temps : 30 à 150 Bar 200 à 300 C 1 heure

23 Oxydation par voie humide m=310kg 73% d eau Boues m=1000kg O 2 m=250kg OVH p=30 Bar T=235 C t=1 heure Gaz Solide Effluent liquides m=750kg m=190kg 50% Matière sèche

24 Oxydation par voie humide Matières organiques 80% 20% Minéralisées en : CO, CO 2, H 2 O Transformées en : Acide acétique, Acides gras et alcools Azote (N) 70% 30% Solubilisé en ammoniaque : NH 4 OH Sous forme gazeuse : N 2

25 Oxydation par voie humide Phosphore (P) Oxydé en phosphates : PO 4 3- Chlore (Cl) Transformé en chlorures : Cl - ex.: HCl Soufre (S) Oxydé en sulfates : SO 4 2-

26 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. Equation générale de combustion : (C a H b N c O d S e ) + no 2 aco 2 + b 2 O 2 + cno x + eso 2

27 Incinération! Combustion en phase gazeuse! Utilise les Boues séchées! Emissions gazeuses élevées! Cendres Pression : Température : Temps : 1 atm 850 C 2 secondes

28 Incinération Fumées + polluants V=2750 Nm 3 Boues m=1000kg Air V=1700 Nm 3 Incinération p=1 atm T=850 C t=2 s Gaz Solide Nm 3 : Mètre cube normal (en CNTP) Cendres m=70kg

29 Comparaison : OVH/Incinération p T t OVH Boues brutes 30 à 150 Bar 200 à 300 C 1 heure! Oxydation par O 2 dissous en phase liquide! Production de gaz limitée! Résidu solide inerte Incinération Boues séchées 1 atm* 850 C 2 secondes! Combustion en phase gazeuse! Production de gaz élevée! Cendres * Unité de pression archaïque : 1 atm = 1 Bar

30 Glossaire " [3] aérobie adj. Biologie : Qui ne peut se développer qu en présence d air. Processus aérobies, qui se déroulent en présence d oxygène. Ant. : anaérobie " [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.

31 Glossaire " [5] eutrophisation n.f. 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. " [6] Hydrate de carbone non fibreux Sucre non polymère. Ex.: Glucose, saccharose (nom commun : sucre), fructose " [2] sédiment n. m. 1. Dépôt formé par la précipitation de substances en suspension dans un liquide. 2. Dépôt abandonné par les eaux, les glaces ou le vent.

32 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.

33 Bibliographie Internet! Dictionnaire universel francophone en ligne : hachette-livre.fr! Autres sources :!

34 Staff Institut S t Joseph d Etterbeek Rue Félix Hap, 14 B1040 Etterbeek 5 ème Technique Qualification Chimie Tél.: Fax: Elèves : % Nicolas Beauvez % Amal Bouamlat % Nordine Boutayoust % Cédric Bulembi % Joël Jacquet % Jean Landercy % Christel Rodriguez Perez % Sylvain Saintenoy % Dodo Yaba-Ngale Professeurs : % Mme De Jong % Mme Staelens Marraine : % Mme Jung (ULB) Design by Degree

35 Staff Christel Jean Nicolas Cédric Amal Nordine Sylvain Joël Dodo Design by Degree