Réduction des métaux lourds des effluents liquides par oxygénation et par filtration percolation à travers des adsorbants naturels

INTRODUCTION 

Les rejets liquides industrielles sont très différents des eaux usées domestiques. Leurs caractéristiques varient d’une industrie à l’autre. En plus de matières organiques, azotées ou phosphorées, elles peuvent également contenir des produits toxiques, des solvants, des métaux lourds, des micropolluants organiques, des hydrocarbures. Certaines d’entre elles doivent faire l’objet d’un prétraitement de la part des industriels avant d’être rejetées dans les réseaux de collecte. Elles sont mêlées aux eaux domestiques que lorsqu’elles ne présentent plus de danger pour les réseaux de collecte et ne perturbent pas le fonctionnement des usines de dépollution. Le pôle industriel dont on a prélève nos échantillons est la ville de Berrechid proche de Casablanca. Les entreprises implantées dans la zone industrielle appartiennent à cinq types d’industrie à savoir : l’Agro-alimentaire, le Textile et le cuir, Chimique et para chimique, Mécanique, Métallique et Electrique, A caractère industriel ou de service lie à l’industrie.

Ces dernières très consommatrices d’eaux génèrent une eau usée trop chargée en matière organique et en métaux lourds est rejetée dans les milieux récepteurs sans aucun traitement préalable. Ce qui constitue un risque de contamination de la nappe phréatique Afin d’éviter ces effets et rendre les eaux usées plus acceptables pour l’irrigation, ou une réutilisation industrielle comme liquide de refroidissement par exemple, il s’est avéré nécessaire d’élaborer un système de prétraitement au moins au niveau de la réduction de ces eaux par les métaux lourds. Dans ce contexte nous avons procédé à l’oxygénation des eaux usées brutes pendant un certain temps bien étudié ensuite entamé la purification par la technique d’infiltration percolation et ce en utilisant des matrices constituées de sable marin, de sol agricole, des coquilles d’œufs concassées et de cendres volantes. 

Nous avons choisi ce genre de filtre naturel pour la simplicité de sa mise en œuvre, et surtout pour son efficacité et son rendement et terme de purification. Notre recherche a été axée principalement sur la réduction des métaux lourds dans ces rejets. Toutes nos analyses ont été effectuées par ICP (Inductively-Coupled-Plasma). Les métaux lourds que nous avons poursuivis sont le cobalt, le zinc, le plomb, le fer, le cuivre, et le chrome [1-6].

MATÉRIELS ET MÉTHODES 

Le sable que nous avons utilisé dans nos expériences de filtration percolation, a été prélevé le long du littoral de la ville d’El Jadida. Ce dernier a été dans un premier temps, soigneusement lavé et séché à 40°C dans une étuve, ensuite tamisé. Ce dernier a été finalement analysé par fluorescence X pour avoir une idée très précise sur le taux de calcite et de silice. Par contre, le sol utilisé est du type agricole, une fois nettoyé et séché. Les cendres volantes qui sont des déchets solides proviennent de la combustion du charbon de la centrale thermiques Jorf Lasfar. 

Les effluents liquides ont été collectés directement d’un grand lac servant comme dépotoir des rejets liquides issus de la zone industrielle de la ville de Berrechid (Photo). Nous avons dans un premier temps, bien oxygéné nos effluents liquides pendant 30 min, ensuite effectués des expériences de filtration sur quatre matrices purifiantes, formées de sable marin, de sol agricole, de cendre volante et de coquilles d’œufs concassées. Le montage expérimental que nous avons utilisé est schématisé sur la figure 1, il s’agit d’une colonne verticale, de 6 cm diamètre, et de 50 cm de hauteur. L’alimentation du système se fait exclusivement par des eaux usées oxygénée et l’écoulement se fait en percolation à traverses le substrat [7-9].

RÉSULTATS ET DISCUSSIONS 

Les eaux usées proviennent de la zone industrielle de Berrechid. Ces derniers ont été analysés soigneusement par ICP (Inductance couplage plasma), et ont montré la présence de plusieurs éléments très toxiques. Le tableau 1 présente en ppm le taux de présences de quelques éléments très nocifs, détectés dans les effluents étudiés, dans leurs états bruts avant traitement. Dans le tableau 2, nous avons exposé les valeurs en ppm des mêmes métaux lourds après filtration par nos différentes matrices purifiantes. Pour valider les résultats obtenus, nous avons jugé très utile, et intéressant de faire une comparaison avec l’eau potable.

Matrice M1 : Sable, cendre volante, sol 

Matrice M2: sable, mâchefer, sol 

Matrice M3: Sable, cendre volante, sable 

Matrice M4: Sable, coquille d’œuf, mâchefer. 

Matrice M5: Sable, cendre volante, sol, coquille,

Pour mieux constater les abattements obtenus après filtration, nous avons présentés nos résultats obtenus sous formes d’histogrammes.

Évolution du cobalt

Le cobalt dans les eaux usées brutes, provient principalement de la coloration des verres, de la céramique et de l’émail au moyen de dérivés du cobalt. Préparation d’alliages résistant à de hautes températures, à l’usure et à la corrosion. Dans l’industrie chimique, le cobalt intervient dans les catalyseurs homogènes et hétérogènes pour la synthèse des carburants, des alcools et des aldéhydes. La filtration à travers les différentes matrices a diminué considérablement la concentration du cobalt. Cet abattement est expliqué par l’immobilisation au niveau du substrat via des mécanismes tels que l’adsorption au niveau des sites d’échanges, la fixation a la matière organique, incorporation dans la structure du sol et par précipitation sous forme de composés insolubles (figure 2) [10-12].

Évolution du zinc

La concentration du zinc dans les eaux usées oxygénée a pour origine l’exploitation minière, la combustion du charbon, des déchets, et l’industrie de l’acier. Le zinc, relativement mobile est facilement adsorbé par les constituants du sol organiques et minéraux. Le zinc peut donc être mobile et migrer facilement en profondeur. Les résultats obtenus par nos filtres sont très intéressants car les abattements de ce métal ont atteint presque 80%. Le taux du zinc dans l’eau potable est normal puisque la tuyauterie de notre laboratoire est en zinc est très ancienne ce qui valide nos résultats (figure 3) [13].

Évolution du plomb 

La purification des rejets liquides bien oxygénée par les différents filtres a permis une réduction de 99%, pour les cinq matrices (figure 4). L’abattement du Plomb s’explique par les différents minéraux argileux existants dans le sol, particulièrement la palygorskite [14].

Évolution du fer 

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 à des matières organiques (acides humiques, fulviques, tanniques, …). Son origine au niveau industriel peut s’expliquer par l’exploitation minière, la sidérurgie, la corrosion des métaux, Le fer donne aussi un goût métallique à l’eau rendant désagréable sa consommation. La filtration des eaux usées, par les différents filtres que nous avons utilisés a permis une réduction de cet élément respectivement de 34% (figure 5). Cette élimination est due, a des micro-organismes présente dans les sols et les sables [15].

Évolution du cuivre 

Le cuivre Cu, provient principalement des rejets industriels comme le traitement de surface, l’industrie chimique et électronique. Le dosage du cuivre dans l’eau percolée révèle des teneurs de l’ordre de 0.05, 0.04, 0.04, 0,03 et 0.04 ppm respectivement pour les quatre filtrats récupérés (figure 6), ce qui correspond aux rendements épuratoires respectifs de 61%; 69%; 69%; 76%. et 69% Il s’agit donc d’un rendement épuratoire très important pour cet élément. La rétention du cuivre est due à son fixation par la matière organique [16].

Évolution du chrome 

La teneur du Crome détecté dans les eaux usées, a été réduite considérablement de 83%, 83% , 83%, 83% et 66% respectivement par les quatre matrices, comme le montre clairement la figure 7. 

 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 [17-19]. Les pourcentages moyens des abattements des différents éléments toxiques par les quatre filtres que nous avons utilisés dans nos expériences sont rassemblés sur le tableau 3 ci-dessous :

CONCLUSION

L’oxygénation des eaux usées est un processus servant à l’aération, la purification et le traitement de l’eau. Cette dernière suite à ce traitement est recyclée ou réutilisée dans le milieu naturel. Elle peut aussi plus tard être transformée en eau potable. Ce processus s’effectue grâce à une introduction d’oxygène dans l’eau en guise de traitement (donc son aération). Cette opération a pour but d’ajuster la demande chimique en oxygène de cette dernière. L’aération et l’apport d’oxygène dans l’eau contribuent aussi à limiter la prolifération des bactéries et des micro-organismes. Ce type de traitement s’effectue généralement dans les stations d’épuration. Par ailleurs, l’oxygénation peut aussi servir dans le cadre de la production d’eaux potables. 

De même la filtration par le sable marin ajoutée à la matrice formée par le sol agricole, les cendres volantes, et les coquilles d’œufs concassées nous a permis d’identifier les points suivants : 

• La richesse en silice de l’ensemble des adsorbants utilisés, permet une réduction plus importante des métaux lourds étudiés dans ce travail. 

• La réaction pouzzolanique entre les cendres volantes et la chaux du sable permet la stabilisation des métaux lourds avec des valeurs inferieures aux normes marocaines de rejets directs. Les eaux filtrées par nos différentes matrices sont parfaitement dans les normes pour une réutilisation dans l’irrigation et autres.