L’adsorption des métaux lourds par l’oxygène pur et par filtration à travers des filtres disposés en cascade

INTRODUCTION 

L’un des impacts négatifs de l’activité humaine sur notre planète concerne les rejets d’eaux usées des industries manufacturières. Il convient de noter que la composition des eaux usées rejetées varie considérablement en fonction du secteur industriel, des caractéristiques technologiques d’une entreprise industrielle, de la densité de population, du climat et même des traditions culturelles et sociales d’une région. Ces eaux usées comprennent généralement le Cu, le Ni, le Cr, le Cd, l’As, le Fe, le Co, le Zn et le Pb [1,2]. 

Ces métaux lourds ne sont pas biodégradables et leur présence dans les cours d’eau et les lacs entraîne une bioaccumulation dans les organismes vivants. Plusieurs méthodes de traitement ont été utilisées pour éliminer ces polluants à savoir la coagulation [3-7], l’échange d’ions, la précipitation. Des études sur le traitement des effluents contenant des métaux lourds ont révélé que l’adsorption est une technique très efficace pour éliminer les métaux lourds des flux de déchets [8-15]. 

L’objectif principal de cette recherche est d’étudier l’influence de l’apport de l’oxygène pur dans les eaux usées avant leurs purifications à travers des adsorbants moins coûteux pour l’élimination des métaux lourds. La technique de purification utilisée est la filtration percolation où les adsorbants utilisés sont disposés en cascade. La matrice utilisée est constituée de sable marin de taille granulométrique 120 µm, de cendres volantes et de sol argileux.

MONTAGE DE FILTRATION PERCOLATION UTILISÉ ET ADSORBANTS. 

Montage de filtration

Le dispositif expérimental de filtration percolation utilisé dans notre recherche (figure 1) est formé de trois adsorbants disposés en cascade comprenant les trois filtres à savoir : le sable marin de taille granulométrique 120 µm prélevé de la plage de la ville d’El Jadida, le sol agricole argileux riche en silice et les cendres volantes provenant de la combustion du charbon de la centrale thermique. Les eaux usées ont été bien oxygénées dans leurs états brut (figure 1).

Eaux usées industrielles 

Des échantillons d’eaux usées ont été collectés d’un grand lac servant comme dépotoir des rejets liquides et limitrophe d’une zone industrielle comme le montre la figure 2.

Cendres volantes 

Des cendres volantes ont également été collectées auprès de la centrale thermique Jorf lasfer «JLEC». La composition minéralogique des cendres volantes a été analysée par diffractomètre à rayons X. Les cendres volantes ont été caractérisées chimiquement à l’aide de la technique de spectroscopie d’absorption atomique par flamme (ICP). Les cendres volantes ont une réactivité beaucoup plus élevée que les mâchefers en raison de la taille de leurs particules finement divisées. 

Les cendres volantes sont une fine matière pulvérulente composée de particules principalement sphériques. Leur couleur est généralement gris pâle à gris foncé. Les cendres volantes sont souvent décrites comme des matières pouzzolaniques. 

Un pouzzolane est défini par l’ASTM comme un produit riche en silice. Leur composition est en relation avec les différents types de matières incombustibles présentes dans le charbon. Généralement les éléments présents dans les cendres volantes sont: le silicium, l’aluminium, le fer, le calcium et le magnésium [16-24]. 

Les cendres volantes sont l’un des déchets les plus connus et sont utilisées comme matière première dans de nombreuses industries telles que l’industrie du ciment [25-30], mais leur effet négatif sur l’environnement ne peut pas être complètement neutralisé en procédant ainsi, il est donc nécessaire de les réutiliser. Leur réutilisation comme adsorbant dans l’élimination de différents types de polluants des eaux usées résout deux problèmes : la qualité de l’eau et la gestion des déchets [30-35].

Sable marin 

Le sable utilisé dans notre étude a été collecté du littoral de la ville d’El Jadida [38-40]. Ces échantillons ont été soigneusement lavés et séchés à 40°C en étuve. La granulométrie choisie est de 120 µm et ce après une étude détaillée sur le rôle de la vitesse de l’écoulement dans une substance poreuse.

Le sol argileux 

Le sol agricole a été prélevé d’un champ proche de notre université à El Jadida, très riche en silice et en calcite.

RÉSULTATS ET DISCUSSIONS.

Le tableau 1 montre les résultats des analyses obtenus par ICP-AES, des eaux usées dans leurs états bruts, les eaux oxygénées avant filtration et le filtrat obtenu après traitement à travers nos adsorbants. Pour valider nos résultats, une comparaison avec l’eau potable s’avère nécessaire. 

Les métaux lourds détectés sont l’As, le Cd, le Co, le Cr, le Fe, le Pb, le Ni et finalement le Zn. Pour mieux visualiser ces résultats, les histogrammes des figures 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 montrent clairement ces abattements par comparaison avec l’eau potable. Nous remarquons que tous les métaux lourds précédemment cités et détectés dans les eaux usées étudiés ont présenté des abattements spectaculaires, allant de 70% à 98%. 

La filtration percolation avec des adsorbants disposés en cascade, en plus de l’oxygénation des eaux usées avant leur passage à travers nos lits filtrants, nous ont permis d’obtenir des résultats très satisfaisants. La matrice que nous avons utilisée pour la filtration, en particulier les cendres volantes, ont montré une meilleure dépollution. 

Ceci pourrait être expliqué par la formation d’une communauté plus ou moins complexe, souvent symbiotique, de micro-organismes (bactéries, microchampignons, microalgues ou protozoaires), adhérant entre eux et à une surface, et marquée par la sécrétion d’une matrice adhésive et protectrice dans la colonne qui permet une réduction par adsorption sur la membrane cellulaire, ainsi que par la structure poreuse et silico alumineuse de ces cendres qui est capable de retenir les métaux lourds en les piégeant dans leurs pores par absorption et de les lier avec des liaisons chimiques par adsorption. Tous les métaux lourds détectés sont diminués considérablement ce qui valide nos résultats obtenus, en particulier par comparaison avec l’eau potable [41-50].

CONCLUSION

Les eaux usées industrielles étudiées constituent une source de nuisances qui s’ajoute aux nombreux problèmes de contamination de l’environnement si elles ne sont pas traitées avant rejet. Les métaux lourds présents dans ces eaux doivent retenir une grande attention car il est difficile d’empêcher la propagation et la dissémination de cette pollution dans les sols et dans les eaux souterraines. Les résultats de cette étude ont prouvé la faisabilité de l’élimination des métaux lourds en utilisant notre système de filtration percolation où les adsorbants sont disposés en cascade, ce qui permet une bonne rétention et une bonne purification. Le taux de silice et de calcite présents dans le sable, les cendres volantes et le sol ont un rôle primordial dans le traitement des rejets liquides en particulier les métaux lourds. L’oxygénation des eaux usées dans leurs états bruts avant filtration est un traitement en lui-même car un taux d’oxygène optimal dissous dans l’eau usée permet d’équilibrer les pics de DCO / DBO, c’est-à-dire la «respiration» des micro-organismes présents dans l’eau. Ce traitement permet de contrôler la prolifération de ces micro-organismes et permet de lutter contre la constitution du sulfure d’oxygène (H2S). Il s'agit d'un gaz désagréable et toxique pour l’homme. Ce procédé permettra une dépollution et une remise à disposition immédiate de l’eau, ce qui constitue un atout majeur dans l’optique du respect de l’environnement: l’eau est utilisée «en boucle». Ce principe est également économique pour ses utilisateurs car il ne nécessite pas d’apport régulier en eau.