Paramètres physico-chimiques et analyse des métaux lourds avant et après purification des eaux usées industrielles de la ville de Berrechid

En outre, les techniques utilisées doivent être, dans un contexte de développement durable et une meilleure gestion de l’eau, de permettre la réutilisation de l’eau traitée et offrent également la possibilité de recyclage. 

Dans ce contexte notre étude est orientée vers l’élaboration d’un système d’infiltration percolation simple et efficace en utilisant des colonnes verticales formées par des lits filtrants constitués par des supports solides (sable marin du littoral, des cendres volantes et des mâchefers) pour la filtration des eaux usées de la zone industrielle de Berrechid. Les principaux paramètres analysés sont: la matière en suspension (MES), la matière organique DCO, DBO5, les orthophosphates, l’ammonium et les chlorures. Les résultats des essais réalisés nous ont permis d’atteindre des taux d’abattements très importants de tous les paramètres. 

INTRODUCTION

De nos jours le traitement des eaux usées est devenue une priorité aussi bien pour préserver la santé humaine et l’environnement, que pour produire une eau qui pourrait être utilisée en agriculture, en industrie et en d’autres activités sociales, La protection de la santé publique et de l’environnement sont aujourd’hui la préoccupation première des différents pays. Les eaux usées se divisent entre deux types : eaux usées domestiques et eaux usées industrielles. Les caractéristiques de ces dernières se varient d’une industrie à l’autre, en plus des matières organiques azotées ou phosphorées, elles peuvent aussi contenir des produits toxiques, des solvants, des métaux lourds, des micropolluants organiques [1-8]. 

Pour cela, le traitement des eaux usées est important pour les sites industriels. Il leur permet de s’assurer que leur procédé de production ne porte pas atteinte à l’environnement et leur donne ainsi le droit d’exploiter en respectant les contraintes locales de rejets. Dans cette optique, notre étude porte sur le traitement des eaux usées de la zone industrielle de la ville de Berrechid en utilisant un système d’infiltration, percolation via des matériaux poreux (sol, cendres volantes, mâchefers et sable marins), tout en sachant que les cendres volantes et les mâchefers qui sont des déchets solides issus de la combustion du charbon proviennent de la centrale thermique de Jorf Lasfar à el Jadida. La ville de Berrechid proche du la mégapole Casablanca a connu une politique d’industrialisation entamée vers le milieu des années 80, a eu d’énormes effets positifs ,notamment au niveau de l’emploi, toutefois cette industrialisation a des conséquences néfastes sur l’environnement naturel, les eaux usées rejetées par certaines usines installées dans cette zone industrielle sont à l’origine de graves problèmes, une étude faites dans ce sens a montré que la perméabilité du sol de Berrechid a beaucoup facilité l’infiltration des eaux usées industrielles ce qui risque sérieusement de contaminer la nappe phréatique [1,2,3,4,5,6]. 

MATÉRIEL ET MÉTHODES

 Point de prélèvement des eaux usées

 • Nos échantillons d’eaux usées ont été prélevés au niveau de la zone industrielle de la ville de Berrechid. Les échantillons ont été Pris dans différentes profondeurs pour tenir compte de l’hétérogénéité verticale et horizontale, nous avons procédé à l’échantillonnage pendant 24 h (prélèvement chaque 2 h). 

Le volume moyen de chaque échantillon est de 1 litre. Les échantillons sont recueillis dans des flacons en verre et conservés dans une glacière. 

Structures et morphologie des adsorbants utilisés 

• Les cendres volantes à charbon sont des poudres fines issues de la combustion du charbon pulvérisé dans les chaudières des centrales thermiques de Jorf Lasfar (JLEC) [7,8]. 

• Les mâchefers ou les cendres de foyer utilisées dans nos expériences de filtration percolation sont produites dans la centrale thermique de Jorf Lasfar. Elles se présentent sous forme de grains sombres poreux de couleur grise. Leur couleur et leur forme dépendent de l’origine du charbon et des conditions de combustion [9,10]. 

• Le sable utilisé a été prélevé du littoral de la ville d’El Jadida. Ce dernier a été soigneusement lavé avec de l’eau distillé puis séchés à 40 °C dans une étuve [11]. 

RÉSULTATS ET DISCUSSION

 Caractérisation physico-chimique

L’étude physico-chimique des effluents liquides bruts analysés avant la purification par la technique de filtration percolation est représentée dans le tableau 1, Nous constatons d’après les résultats du tableau 1, que les eaux industrielles étudiées ont un PH acide, cette acidité est due aux divers rejets des différentes activités industrielles, situées au niveau la zone étudiée.

On note également une forte conductivité dépassant les 10 ms/cm, ce qui pourrait s’expliquer par la présence d’une forte concentration de divers sels (chlorures, sodium, calcium, sulfates,). Les eaux usées, sont moyennement chargées en matières en suspension dont les valeurs dépassent les 500 mg/l, Elles sont également chargées en matières organiques, dépassant les 5000mg/l, qui sont assez complexes et difficilement biodégradables par des souches bactériennes. On note également une moyenne concentration en ions chlorures dépassant les 500 mg/l [11,12]. La methode de filtration percolation, utilsé dans notre laboratoire est schemetisé dans ci-dessous (figure 1). Il s’agit d’une colonne verticale constituée de trois étages formant la matrice purifiante et dont les adsorbants utilisés sont les cendres volantes, les machefers et le sable marrin. Le sable utilisé contient un pourcentage elevé de silices et de calcites. Ces derniers ont un role tres important surtout dans la retention des métaux lourds [13]. Les eaux épurées par notre technique de filtration percolation sont figurées ci-dessous (figure 2). 

On remarque que la matrice utilisée a permis une décoloration totale des eaux usées brutes. La caractérisation physico-chimique des eaux filtrées par notre matrice formée de sable, des cendres volantes et mâchefers est donnée par le tableau 2 ci-dessous. Pour mieux comprendre, nous avons représenté les résultats de la caractérisation physico-chimique obtenus avant et après purification sous forme d’histogramme (figure 3), Les eaux usées traitées montrent une réduction de la pollution organique en termes de DCO avec un taux d’abattement moyen de 85%; Cette réduction de la charge organique s’explique par les propriétés d’adsorption fortes des supports naturels utilisés comme lits filtrants. Ce traitement nous a permis d’atteindre un taux d’abattement moyen de 95% pour la matière en suspension. Les eaux usées étudiées, sont moyennement chargées en matière en suspension dépassant les 500 mg/l. Nous constatons que ces matières en suspension sont efficacement piégées par notre matrice.

Nous constatons aussi une réduction de la pollution organique en termes de DBO5 avec un taux d’abattement moyen de 90%. Ce maximum de réduction de la charge organique s’explique par les fortes propriétés d’adsorption des cendres volantes et des mâchefers. Les adsorbants utilisés ont permis une neutralisation du pH. Le pH augmente et se stabilise à une valeur basique de 7,2. Cette augmentation peut être expliquée par le pouvoir tampon du sable et son aptitude à s’opposer à la variation du pH. Le rejet industriel étudié est chargé en chlorure. Le taux d’abattement moyen des chlorures pour les eaux usées traitées est de 70%. La réduction des anions chlorures peut être expliquée par la présence des différents cations contenus dans le sable utilisé à savoir K+ , Na+ , Ca2+. Mg2+, Fe2+ ou Fe3+, Al3+. 

Le taux d’abattement moyen des Orthophosphates pour les eaux usées traitées est de 38%. Cette réduction peut être expliquée par la composition du sable marin et des cendres riches en fer et en sels d’aluminium qui sont considérés comme précipitant pour l’élimination physico-chimique du phosphore Le taux d’abattement moyen de l’Ammonium est de 68%. Cette réduction de l’ammonium se fait par des bactéries dénitrifiâtes contenues dans la matrice utilisée L’évolution de la conductivité électrique au cours de la filtration met en évidence des valeurs décroissantes liées aux échanges chimiques entre l’eau et le matériel filtrant (précipitation et adsorption) ce qui a réduit la conductivité électrique des eaux usées traitées. Le taux d’abattement moyen de la conductivité est 25% [14, 15, 16, 17]. 

Analyses des métaux lourds

 L’analyse par ICP, nous a permis de détecter les traces des métaux lourds dans nos échantillons liquides avant et après filtrations. Le tableau 3 rassemble les teneurs en ppm, des métaux lourds dans les eaux usées industrielles brutes et après purification. Pour valider ces résultats, on a jugé utile et intéressant de les comparer à ceux obtenus en analysant l’eau potable. L’histogramme ci-dessous (figure 4) visualise bien l’évolution des abattements des métaux lourds après filtration, tout en comparant avec ceux de l’eau potable. Il est à noter que le taux du zinc dans l’eau potable est élevé vu la tuyauterie ancienne de la canalisation des eaux dans notre laboratoire ou l’eau potable a été prélevé pour analyse.

Le cadmium dans les eaux usées brutes qui font l’objet de cette étude peut avoir plusieurs origines, en particulier les rejets industriels issus des activités de métallurgie et les rejets des industries des fertilisants. Le traitement de ces eaux à travers notre filtre engendré une diminution de la concentration du cadmium de 0,006 ppm à 0,002 ppm. Cet abattement peut être dû à l’immobilisation au niveau du substrat via des mécanismes tels que l’adsorption au niveau des sites d’échange, la fixation par la matière organique, l’incorporation dans la structure du sable et la précipitation sous forme de composés insolubles [18]. La teneur du chrome détecté dans les eaux usées industrielles est réduite de 40% par le filtre utilisé. Cet abattement s’explique par des phénomènes de précipitation et d’adsorption qui jouent certainement un rôle d’atténuateur de la toxicité de cet élément Dans les eaux usées étudiées, le cuivre provient principalement des rejets issus des activités liées au traitement de surface et aux industries chimiques et électroniques. Le dosage du cuivre dans les eaux usées après traitement par le filtre considéré révèle une teneur de l’ordre de 0.03 ppm, ce qui correspond aux rendements épuratoires respectifs de 48%; Il s’agit donc d’un rendement épuratoire très important pour cet élément. La rétention du cuivre est due à sa fixation par la matière organique Le fer est l’un des métaux les plus abondants de la croûte terrestre. Il est présent dans l’eau sous trois formes : le fer ferreux Fe2+, le fer ferrique Fe3+ et le fer complexé par des matières organiques (acides humiques, fulviques, tanniques, …). Sa présence dans les rejets industriels liquides peut être attribuée à l’exploitation minière, la sidérurgie, la corrosion des métaux. La filtration des eaux usées, par le filtre considéré a permis une réduction de cet élément à un taux de 95,26% (tableau 3). Cette élimination peut être attribuée aux microorganismes présents dans les sables. La filtration des rejets liquides industriels sur le filtre a permis une réduction de 60% (tableau 3). L’abattement du plomb s’explique par la présence de différents minéraux argileux existants dans le sable et les cendres particulièrement la palygorskite qui est capable de fixer cet élément [15-20]. La concentration du zinc dans les eaux usées industrielles a pour origine l’exploitation minière, la combustion du charbon, les déchets et l’industrie de l’acier. Comme le montre le tableau 3, le traitement des eaux usées par filtration sur le filtre considéré, s’accompagne d’une réduction importante de la teneur en zinc. Cette réduction peut s’expliquer par le fait que le zinc relativement mobile, peut facilement être adsorbé par les constituants organiques et minéraux du sable et des cendres. Par son affinité à se combiner chimiquement aux oxydes et aux hydroxydes minéraux du sable, le zinc aura donc une forte tendance à être au cours du processus de filtration [21,22]. 

CONCLUSION

La filtration lente sur sable, est une méthode très ancienne utilisée pour le traitement des eaux usées. Cette méthode de purification reste le procédé de choix, non seulement dans les zones rurales et urbaines, mais aussi dans de nombreux pays industrialisés. Elle s’est révélée simple, sure, peu coûteuse et efficace dans des conditions très diverses. Par rapport aux autres méthodes, elle présente l’avantage considérable de tirer un meilleur parti des compétences locales et des matériaux disponibles dans les pays en voie de développement. Dans le présent travail, nous avons développé au laboratoire des systèmes d’infiltration percolation en utilisant des colonnes verticales formées par des lits filtrants constitués de sable marin du littoral, des cendres volantes et des mâchefers. Ces systèmes ont été utilisés pour le traitement par filtration de rejets liquides de différentes origines. Leurs performances ont été évaluées en effectuant l’analyse et le suivi dans le filtrat récupéré, de paramètres physico-chimiques qui correspondent suivant les cas, aux matières en suspension (MES), à la matière organique (DCO), aux orthophosphates (PO4 3-), aux ions ammoniums (NH4 + ) et aux teneurs d’un ensemble d’ions métalliques. Les résultats obtenus montrent que les performances de ces systèmes sont gouvernées par la nature des matériaux qui composent le filtre employé et par la taille des grains de ces matériaux en particulier le sable marin. Plus la taille des grains de sable est petite, plus les traitements s’avèrent efficaces. Cet effet est directement lié à la vitesse d’infiltration qui décroît à mesure que la taille des grains diminue, offrant ainsi un temps de résidence relativement élevé et des échanges intenses entre le rejet liquide et les matériaux du filtre. Ces échanges sont régis par plusieurs processus et mécanismes qui font intervenir des réactions chimiques, des phénomènes d’adsorption, de la rétention mécanique, de l’incorporation chimique, de l’insertion intercalaire et éventuellement des activités bactériologiques. Tous ces échanges se traduisent par une évolution des teneurs associées aux paramètres physico-chimiques des liquides traités vers des valeurs qui se comparent parfaitement aux valeurs recommandées par les normes marocaines pour les rejets. A lumière des résultats obtenus dans ces procédés de traitement qui utilisent les matériaux considérés, il est possible d’affirmer que les rejets traités, ont un grand potentiel pour être utilisés dans des activités industrielles comme liquide de refroidissement ou dans les secteurs de l’agriculture pour l’irrigation.