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Filtration des eaux usées de la station de prétraitement de la ville d’El Jadida par des matrices à base de matières naturelles et de déchets industriels
I. Rhouch 12 juillet 2018 Paru dans N°413 - à la page 97

Afin de limiter les dangers émis par les eaux usées de la ville d’El Jadida, ainsi que ceux des déchets solides industriels, à savoir les déchets de charbon, nous nous sommes intéressés à compléter le traitement de la station de prétraitement des eaux usées en s’appuyant sur un procédé d’infiltration percolation. Ce procédé repose sur l’emploi des matières adsorbantes et fait appel à la réutilisation des déchets de charbons en ajoutant d’autres matières naturelles, notamment des sables et des sols argileux, matériaux filtrants par excellence. Les principaux paramètres qui ont été analysés dans la présente étude sont les suivants?: la DCO (demande chimique en oxygène), la DBO5 (demande biologique en oxygène), le pH, la conductivité, l’oxygène dissous, les matières en suspension (MES), les ions orthophosphates, et les ions chlorures. Les rendements de purification les plus élevés qui ont été enregistrés au niveau de rétention des paramètres sont les suivants?: 88,73?% pour la DCO, 86,58?% pour la DBO5, 64?% pour les matières en suspension, 78,71?% pour les ions chlorures et 91?% pour les ions orthophosphates.

L’environnement au Maroc, comme dans d’autres pays en développement, est soumis à une forte pression due principalement à l’urbanisation et à la croissance des activités industrielles qui induisent une pollution des milieux naturels, à savoir le rejet des eaux usées dans des réseaux d’assainissement sans traitement préalable [1]. Par conséquent, le Maroc a adopté une nouvelle stratégie pour faire face à ces enjeux en implantant des stations de prétraitement et de traitement des eaux usées afin d’éviter les effets nuisibles de ces effluents sur les milieux naturels. C’est dans le cadre de ce concept qu’une station de prétraitement des eaux usées a été mise en place dans la ville d’El Jadida. Ces rejets présentent un large spectre de polluants chimiques sous forme d’état solide, dissous ou autres. Le processus de prétraitement n’atteint pas les normes marocaines exigées de rejet. Cet enjeu requiert une approche spécifique des effluents afin de faire émerger les solutions attachées à cette problématique. Dans ce contexte, nous évoquons le procédé d’infiltration percolation en utilisant des colonnes de sables et de sol argileux ainsi que des déchets de charbons, notamment des cendres volantes et des mâchefers. Ces derniers, qui sont à l’origine de la majeure partie de la pollution de l’air, ont fait l’objet de plusieurs études pour les éliminer ou les réutiliser. C’est ainsi que des cendres volantes ont été recueillies et recyclées en cimenterie. Pourtant, leur recyclage n’est pas suffisant pour régler ce problème environnemental, compte tenu des quantités produites. De ce fait, notre étude comme d’autres recherches antérieures, a travaillé à la récupération de ces déchets pour traiter les eaux usées issues de la station de prétraitement.

Matériels et méthodes

Figure 1 : Localisation géographique du site étudié.

Prélèvement des eaux usées

Le prélèvement des eaux usées a été réalisé au niveau de la station de prétraitement de la ville d’El Jadida au Maroc (figure 1). La station couvre quotidiennement un flux de 32.876 m³ de rejets liquides. Le traitement de ces rejets se limite à un dégrillage grossier, un dégrillage fin, un dessablage, et un déshuilage.
Support solides utilisés
Figure 2 : Aspect visuel des cendres volantes.

Les matériaux utilisés dans le cadre de cette étude sont composés de produits naturels tels que du sable marin de la région, du sol argileux, ainsi que des déchets solides comme des cendres volantes et des mâchefers. Les cendres volantes (figure 2) sont des particules non combustibles entraînées par les fumées lors de la combustion du charbon pulvérisé, utilisé dans les centrales thermiques. Leur composition minéralogique est variée et dépend des différents types de matières incombustibles présentes dans le charbon. D’une façon générale, elles sont constituées d’aluminosilicates vitrifiés de calcium, fer, magnésium, potassium, et sodium, associées à des phases de quartz, de silicate d’aluminium et magnétite. Des travaux récents ont montré l’efficacité des cendres volantes pour la réduction et l’élimination de différents polluants organiques et minéraux dans l’air (NOx, SOx) et dans l’eau par phénomène d’adsorption.

Figure 3 : Aspect visuel des mâchefers.

Les mâchefers font partie des résidus non combustibles de la combustion du charbon, nous avons utilisé dans nos expériences, celles produites dans la centrale thermique JLEC jorflasfar. Les mâchefers apparaissent sous forme de grains poreux grisâtres (figure 3) [10].

Les échantillons de sables que nous avons utilisés dans nos expériences de filtration-percolation ont été prélevés le long du littoral de la ville d’El Jadida. Ces derniers ont été soigneusement lavés, séchés dans une étuve à 40 °C et finalement tamisés dans le but de déterminer avec exactitude la taille granulométrique de chaque échantillon. Le tableau 1 résume les sites des prélèvements.

Les échantillons d’argile ont été recueillis dans les environs d’El Jadida précisément dans la région de Sebt Oulad Bouaziz. C’est l’argile blanche (Kaolinite) connu par sa couleur blanche qui provient essentiellement du pourcentage élevé d’alumine (environ 23 %), il est caractérisé par sa charge négative (figure 4) [11].

Figure 4 : Aspect visuel de l’argile.

Le kaolin friable et réfractaire, composé principalement de kaolinite, soit des silicates d’aluminium avec un peu de quartz libre et certains minéraux d’argile et de feldspath, ayant une surface spécifique importante et une grande capacité d’adsorption et de rétention de différents polluants organiques et minéraux. Des travaux récents ont étudié la faisabilité de l’utilisation de différentes argiles minérales et synthétiques telles que la kaolinite et la montmorillonite et ont démontré leur efficacité pour l’élimination des métaux lourds et différents polluants toxiques contenus dans les eaux usées.

Résultats et discussions

Analyse granulométrique du sable

Les échantillons de sables ont été analysés par diffraction X pour avoir une idée très précise du taux de présence de calcite et de silice (AWW review, volume III, juin 2006) et par spectroscopie ICP (Inductance couplage Plasma) pour s’assurer de l’absence de traces en métaux lourds. Notre choix s’est finalement focalisé sur 6 types de sables de tailles granulométriques différentes et dont les taux de silices et de calcites varient d’un sable à l’autre.
Figure 5 : Analyse granulométrique des sables.

En outre, une étude de la vitesse d’écoulement des eaux dans chaque sable a été calculée car cette dernière nous renseigne sur le type d’échantillon que nous allons choisir dans nos expériences de filtration, car plus la vitesse est lente, meilleure est la rétention. La figure 6 visualise la vitesse d’écoulement dans chaque sable.

Figure 6 : Vitesse d’écoulement.

Structure des cendres volantes et des mâchefers

Le tableau 2, résume la composition chimique des cendres et des mâchefers particulièrement les valeurs moyennes des pourcentages des différents éléments d’oxyde contenus dans les cendres volantes et dans les mâchefers, généralement ces résultats dépendent de l’état principal du charbon. On trouve les oxydes SiO2, Al2O3, Cao et Fe2O3 dans les deux types de cendres, selon les résultats, les deux types de cendres pourraient être classés au milieu des cendres d’alumine de silice. [13]

Analyse granulométrique de l’argile

On constate que l’argile est riche en minéraux très fins qui lui permettent une forte puissance d’adsorption. L’échantillon a déjà été écrasé et séché à 100°C afin d’éliminer l’eau d’hydratation. La distribution des particules d’argile montre que la composition des grains de l’échantillon étudié est assez variable : 30 % des grains appartiennent à la classe des argiles (≤ 2 µm) et 50 % des grains ont une granulométrie de 9 µm.
Figure 7 : Analyse granulométrique de l’argile.

Composition chimique de l’argile

La composition chimique des argiles a été effectuée par la technologie Fluorescence X, on constate que l’argile utilisée est hautement kaolinite avec une perte à l’allumage de 13,06 %. La valeur de la perte d’inflammation est liée à la déhydroxylation des minéraux argileux, à l’oxydation de la matière organique et à la décomposition des carbonates, hydroxydes.

Caractérisation des eaux usées

La caractérisation des eaux usées brutes montre, dans le tableau 3, la valeur élevée de la charge organique au niveau de la zone industrielle (2.205 mg/l), par rapport à l’entrée de la station, cette valeur a été réduite grâce au réseau unitaire qui regroupe les eaux urbaines et industrielles ce qui permet aux eaux usées industrielles d’être diluées. La conductivité électrique est liée aux concentrations de substances dissoutes qui résultent essentiellement de l’industrie agroalimentaire qui justifie l’existence des sels minéraux.

Le procédé d’infiltration percolation

Le procédé d’infiltration percolation requiert l’utilisation d’une colonne de filtration, composée d’une succession de matières filtrantes. Le montage suivant (figure 8), résume la méthode de purification utilisée. Le tableau 5 explique le type de colonne adopté selon le filtre appliqué dans chaque expérience.
Figure 8 : Montage de l’expérience de purification.

Évolution de la DCO

On constate que les substrats des filtres utilisés dans les 9 colonnes contribuent à une réduction très satisfaisante qui respecte largement la norme marocaine de rejet (500 mg/l) et même la norme de réutilisation en irrigation (100 mg/l). Les matrices ont donné les taux de réduction suivants : 83,09%, 80,08%, 85,67%, 81,80%, 78,51%, 85,95%, 85,24%, 87,10 %, 83,81%. Cette réduction est due aux propriétés d’adsorption qui caractérisent les cendres volantes qui ont une force polarité électrique et riche en éléments minéraux, en particulier les ions ferreux Fe3+ainsi que la petite taille granulométrique (moins de 500 μm) ce qui augmente la surface d’adsorption [14]

Évolution des orthophosphates

Les résultats obtenus nous ont permis de conclure que toutes les matrices choisies dans la filtration sont très efficaces pour réduire les ions orthophosphates concentrés, principalement la matrice 1 avec une efficacité de 93,35 %. Cette performance est due à l’excès d’oxyde ferrique et oxydes d’aluminium contenu dans les cendres volantes et les mâchefers (SiO2 + Σ % Al2O3 + Fe2O3), ces types d’oxydes sont principalement considérés comme des coagulants pour éliminer le phosphore en donnant du phosphate ferreux ou le phosphate de chaux par précipitation. [15]

Évolution des ions chlorure

La concentration des chlorures a connu un taux de réduction de : 78,57%, 50,01%, 50, 12%, 68,57%, 55%, 70%, 42,85%, 50,71%, 42,85%.
Cette réduction pourrait s’expliquer par l’existence de cations dans les matériaux filtrants qui piègent ces ions par adsorption ou par échange d’ions, à savoir les cendres volantes et l’argile qui sont responsables de l’échange d’ions et qui ont plutôt chargé négativement ce qui conduit à neutraliser les cations présents dans les eaux usées.
Figure 9 : Évolution de la DCO.

Évolution du pH

La diminution de la valeur du pH est due aux réactions probables entre les ions H3O+ et les constituants du sable, comme les carbonates dans la première matrice, alors que les matrices 7, 8 et 9 témoignent d’une valeur élevée de pH, probablement due à l’existence des ions OH- qui caractérisent la nature de l’argile [16].
Évolution de la conductivité
La valeur de la conductivité a légèrement augmenté mais toujours trop loin de la réglementation de rejet. Cela s’explique par l’existence de sels dissous dans nos échantillons de sable. Bien que cette conductivité ait légèrement diminué dans la matrice qui contient de l’argile (matrice 7, 8 et 9) à travers le phénomène de diffusion ionique entre les feuillets argileux et les grains de sables.
Figure 10 : Évolutions des ions orthophosphates.

Évolution des matières en suspension

D’après les phénomènes répulsifs, généralement les colloïdes forment des suspensions très stables, à ce stade, les phénomènes d’adsorption se chargent pour neutraliser leur charge, donc les matières en suspension seront piégées dans la masse granulaire du filtre pour créer une sorte d’agrégats par floculation. Le passage de ces eaux usées à travers les différents filtres a permis d’enregistrer les taux de réduction suivants respectivement selon chaque colonne : 89,33%, 97.16%, 98.93% 95.73%, 95.73%, 95.73%, 96.66%, 94.34%, 97.6%, 80.93%, 97.9%.
Figure 11 : Évolution des CL-.

Évolution de l’oxygène dissous

La forte présence de matière organique dans l’eau permet aux microorganismes de se développer tout en consommant de l’oxygène. Nous en concluons que, à mesure que le pourcentage de matière organique diminue, l’oxygène augmente dans l’eau grâce au pouvoir d’adsorption de l’utilisation matière [17].
Figure 12 : Évolution du pH.

L’évolution de la DBO5

La diminution de la demande biologique en oxygène a permis un taux de réduction de : 82,11%; 80,82%, 80,94%, 83,41%, 81,64%, 82,35%, 83,52% .84%; 84,2%. L’abattement de la demande biologique en oxygène fait intervenir des phénomènes physiques de sédimentation et de filtration ainsi que des phénomènes biologiques associés à la flore bactérienne du lit filtrant.[18]
Figure 13 : L’évolution de la conductivité.

La performance de procédé infiltration percolation

La filtration a été mise en place à l’échelle du laboratoire, tandis que l’étude sera adaptée pour qu’elle soit appliquée et mise au niveau de la station à l’échelle pilote. C’est ainsi qu’une comparaison avec une autre station de traitement des eaux qui se base sur le procédé de filtration percolation afin de comparer la performance de notre procédé avec d’autres types de traitement, se référera à la station M’zar de la ville Agadir qui investit des plantes d’edulis autant que des adsorbants [19].