Réduction du Cu, Fe, Hg, Mn, Zn et P des eaux usées brutes d’une industrie de transformation de viandes de volailles par filtration percolation en utilisant des déchets solides industriels comme adsorbant

RÉSUMÉ : Les procédés d’adsorption sont largement utilisés par divers chercheurs pour l’élimination des métaux des eaux usées. Ces dernières années, le besoin de méthodes économiques et efficaces pour l’élimination des métaux lourds des eaux usées a nécessité un intérêt de recherche vers des adsorbants à faible coût. Par conséquent, il est urgent que tous les matériaux peu coûteux et qui ont un potentiel adsorbant soient explorés et leur faisabilité pour l’élimination des métaux lourds soit étudiée en détail.L’objectif principal de cette recherche est d’étudier les possibilités d’utilisation d’adsorbants moins coûteux pour l’élimination des métaux des eaux contaminées en utilisant un système de filtration. Les sous-produits des déchets industriels dont les cendres volantes, les mâchefers, et les scories ont été utilisés pour la réduction des métaux des eaux usées de l’industrie de transformation de viandes de volailles. Les résultats obtenus indiquent que les composés matriciels contenant des cendres volantes, des cendres résiduelles, du sable et des scories peuvent être utilisés comme adsorbant efficace et peu coûteux pour l’élimination simultanée des métaux. L’eau ainsi obtenue respecte les règles de rejet. 

I. INTRODUCTION 

L’un des impacts négatifs de l’activité humaine sur notre planète est le rejet des eaux usées des industries manufacturières. Il convient de noter que la composition des eaux usées rejetées varie considérablement selon le secteur d’activité, les caractéristiques technologiques d’une entreprise industrielle, la densité de population, le climat et même les traditions culturelles et sociales d’une région. Ces eaux usées comprennent généralement des métaux comme le Cu, Fe, Hg, Mn, Zn et le P[1.2]. 

Ces métaux 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 [3,4], l’échange d’ions, la précipitation. Des études sur le traitement des effluents chargés demétaux ont révélé que l’adsorption était une technique très efficace pour éliminer les métaux du flux de déchets [5,6,7].L’objectif de cette étude est de contribuer à la recherche d’adsorbants moins coûteux et aux possibilités d’utilisation de divers déchets, qui sont dans de nombreux cas également des sources de pollution. Dans cet esprit, nous avons testé les performances de différentes matrices composées de sable marin, de déchets industriels (cendres volantes et mâchefers de centrales thermiques) et de déchets de sidérurgies (scories) pour l’élimination des métaux des eaux usées. 

II. ÉCHANTILLONNAGE ET MÉTHODOLOGIE : 

II.1. Prélèvement d’eaux usées industrielles : 

Les prélèvements des eaux usées sont effectués directement au niveau d’un lac servant comme dépotoir du rejet liquide d’une industrie avoisinante spécialisée dans la transformation de la viande de volailles (figure 1). Ces rejets liquides ont été stockés à 5°C et à l’abri de la lumière pour éviter toute éventuelle modification physico-chimique. Ces échantillons ont été analysés à l’aide de la spectroscopie d’émission ICP pour déterminer les métaux présents dans ces eaux usées industrielles.

II.2. ÉCHANTILLONNAGE DES DÉCHETS SOLIDES : 

II.2.1 Mâchefers 

Les mâchefers (figure 2) utilisés dans nos expériences comme adsorbant proviennent de la centrale thermique de JorfLasfar «JLEC» située à une distance de 17 km de la ville d’El Jadida. 

D’autres recherches sont orientées vers l’utilisation des mâchefers dans l’industrie cimentière [8]. Ils se présentent sous la forme de grains sombres poreux de couleur grise. 

Leur couleur et leur forme dépendent de l’origine du charbon et des conditions de combustion. La composition chimique des mâchefers est obtenue par la technique de fluorescence X.

II.2.2 Cendres volantes 

Les cendres volantes (figure 3) ont également été récupérées de la centrale thermique de JorfLasfer «JLEC». Les cendres volantes sont un matériau pulvérulent fin composé de particules principalement sphériques. Il est généralement de couleur gris pâle à gris foncé. Les cendres volantes sont souvent décrites comme des matériaux pouzzolaniques. Un pouzzolanique est défini par l’ASTM comme étant riche en silice. 

Leur composition est en rapport avec les différents types de matériaux incombustibles présents dans le charbon. 

Généralement les éléments présents dans les cendres volantes sont: le silicium, l’aluminium, le fer, le calcium et le magnésium [9]. 

Les cendres volantes ont été caractérisées chimiquement en utilisant la technique de spectroscopie d’absorption atomique de flamme (ICP). Bien que la composition chimique des cendres volantes et des mâchefers soit similaire, les cendres volantes ont une réactivité beaucoup plus élevée en raison de leur taille de particules finement divisées. Les cendres volantes sont l’un des déchets les plus connus et elles sont utilisées comme matière première dans de nombreuses industries telles que l’industrie du ciment [10], mais son effet négatif sur l’environnement ne peut pas être complètement neutralisé en faisant cela, donc en le réutilisant comme adsorbant dans l’élimination des différents types de polluants des eaux usées résout deux problèmes : la qualité de l’eau et la gestion des déchets [11]. 

II.2.3 SABLES MARINS : 

Les échantillons de sable (figure 4) utilisés dans notre étude ont été prélevés du littoral d’El Jadida au niveau des plages Moulay Abdellah et Housia [12]. 

Ces échantillons ont été soigneusement lavés et séchés à 40°C dans une étuve, puis tamisés pour déterminer les différentes tailles granulométriques.

II.2.4. SCORIES : 

En métallurgie, les scories ( figure 5) sont des sous-produits solides issus de la fusion, de l’affinage, du traitement ou de la mise en forme des métaux à haute température. 

Ce sont des mélanges d’oxydes divers qui surnagent sur le métal en fusion, ou s’en détachent lors de leur mise en œuvre à haute température.Elles sont de compositions extrêmement variées suivant les époques, les procédés et les métaux traités. 

Qu’elles soient des déchets extrêmement polluants ou des coproduits appréciés, les scories métallurgiques représentent un enjeu écologique et économique essentiel dans la métallurgie extractive.

Dans le cas particulier de la métallurgie du fer, les scories pauvres en fer sont appelées laitier. Celui-ci représente, en volume, le type de scorie de loin le plus courant.

La caractérisation chimique par fluorescence X des Scories montre qu’ils sont composés majoritairement d’oxyde de calcium et l’alumine qui sont des composants principaux (78%). 

On note aussi la présence de l’oxyde de magnésium, de la silice, du manganèse et du fer avec des teneurs non négligeables (figure 6). 

II.3 MONTAGE EXPÉRIMENTAL : 

La figure 7 illustre le montage expérimental de filtration percolation utilisé, il se présente sous forme de plusieurs matrices filtrantes constituées de différents adsorbants. Le tableau 1 détaille les différentes matrices utilisées. Les tests de filtration par percolation ont été répétés plusieurs fois. 

III. RÉSULTATS ET DISCUSSION : 

III.1. Analyse chimique des mâchefers et des cendres volantes 

Le tableau 2, résume les valeurs moyennes exprimées en pourcentage d’oxydes des différents éléments contenus dans les cendres volantes et les mâchefers. La majeure partie comprend SiO2 , Al2 O3 , CaO et Fe2 O3 dans les deux types de cendres. 

III.2. ANALYSE MINÉRALOGIQUE DES MÂCHEFERS ET DES CENDRES VOLANTES : 

La composition minéralogique des cendres volantes a été analysée par diffractomètre à rayons X. 

Le diagramme XRD des cendres volantes est donné à la figure 8. Il a été constaté à partir des pics de diffraction que les cendres résiduelles étaient principalement constituées de phases cristallines telles que le quartz (SiO2) et la mullite. 

Ce résultat s’explique par la minéralogie du charbon utilisé, qui est généralement constitué de silice cristalline sous forme de quartz et d’argiles minérales du groupe phyllitheux (shale). 

Au cours de la combustion, ces minéraux changent de structure et donnent naissance à une faible partie cristallisée sous forme de mullite et de quartz et à une partie amorphe. 

De même, le spectre minéralogique des cendres volantes révèle le même résultat que les cendres résiduelles.

L’étude de la morphologie des cendres volantes et des mâchefers a été réalisée par un microscope électronique à balayage de type Philips XL 30 ESEM. La figure 9 illustre la structure morphologique des adsorbants étudiés. Les cendres volantes se présentent sous la forme de particules sphériques, de petite taille comme le montre la figure 9.  

Cependant les mâchefers présentent une structure différente par rapport à la morphologie des cendres volantes. Il apparaît sous la forme de particules plus grosses et irrégulières comme le montre la figure 9.

III.3 ANALYSE DES MÉTAUX DANS LES EAUX USÉES AVANT ET APRÈS TRAITEMENT 

Les résultats des analyses des effluents liquides de l’industrie de transformations des viandes de volailles avant et après filtration à travers nos différentes matrices purifiantes (Tableau 1) par (ICPAES) montrent ( figure 10, 11, 12, 13, 14, 15), que ces eaux usées sont chargées en métaux comme le fer, le Cuivre, le mercure, le Zinc, le manganèse et le phosphore (Zn, Cu, Fe, Mn, Hg, P)

Dans les eaux de surface, le fer se trouve généralement sous forme ferrique et précipitée, souvent associé aux MES; il est alors éliminé au cours de la clarification. 

En revanche, on le rencontre sous forme ferreuse dans les couches profondes de certaines réserves d’eaux eutrophisées privées d’oxygène et dans la plupart des eaux souterraines: ce fer est alors dissous et souvent complexé. Les eaux usées étudiées présentent un taux élevé du fer qui a été totalement éliminé par les adsorbants de la matrice M5

Le zinc est présent naturellement dans l’air, l’eau et le sol mais les concentrations en zinc de façon non naturelle du fait du rejet de zinc par les activités humaines. 

La plupart du zinc est rejeté par les activités, L’eau est polluée en zinc du fait de la présence de grandes quantités dans les eaux usées des usines industrielles. 

Ces eaux usées ne sont pas traitées de façon satisfaisante. L’une des conséquences est que les fleuves déposent des boues polluées en zinc sur leurs rives. 

Le zinc peut aussi augmenter l’acidité de l’eau. Quand le sol des terres agricoles est polluées par du zinc, les animaux absorbent des concentrations mauvaises pour leur santé. 

Le zinc soluble dans l’eau qui se trouve dans le sol peut contaminer les eaux souterraines. 

Nous avons remarqué que les matrices M1, M2, M3, M4, M5 et M7 ont réduit considérablement le taux du zinc par filtration, L’eau potable contient une forte valeur est logique vu que la tuyauterie ancienne du laboratoire est en zinc ce qui valide nos résultats.

Le mercure est un métal atypique qui est liquide à température ambiante. Ses propriétés physiques et chimiques ont favorisé son utilisation, mais font aussi du mercure un contaminant dont la toxicité est universellement reconnue. 

Malgré la prise de conscience de sa dangerosité, sa présence dans l’environnement reste problématique. 

Les émissions de mercure continuent de croître, stimulées, notamment, par la combustion mondiale du charbon dont le mercure est un sous-produit. 

Les matrices M3 et M7 particulièrement M3 a permis l’abattement quasi-total de ce métal lourd très toxique.

Le manganèse ne pose pas de risques pour la santé aux concentrations normalement présente dans l’eau potable. L’eau possédant des concentrations élevée de manganèse peut entraîner la formation de taches sur les raccords de plomberie ou sur le linge. 

La présence de manganèse peut entraîner la formation de dépôts à l’intérieur des tuyaux, lesquels peuvent se détacher sous forme de particules noires qui procurent à l’eau un goût et une apparence désagréables. 

Cette substance peut favoriser la croissance de bactéries indésirables qui forment une couche visqueuse à l’intérieur des tuyaux d’évacuation des effluents liquides comme dans notre étude. Toutes les matrices utilisées ont permis un abattement très important du manganèse, par rétention à travers nos adsorbants. 

Les rejets des industries de transformation des viandes pouvant générer des rejets très différents ou des charges très élevées par rapport à la charge domestique, On distingue 3 principales sources de phosphore 

• les déchets du métabolisme humain (urines et fèces) 

• les détergents ménagers ajoutés aux eaux de lavage (linge et vaisselle principalement). 

• les déchets (hors détergents) collectés avec les eaux de cuisine (lavage de la vaisselle, déchets alimentaires liquides) et les eaux de lavage générées par le nettoyage des machines industrielles. Les matrices que nous avons utilisées particulièrement M5 a permis une réduction presque totale du phosphore présent dans les eaux usées brutes utilisées.

Le cuivre est présent naturellement dans l’environnement, mais il est aussi abondamment utilisé dans les domaines industriels et domestiques. Il peut être détecté dans les eaux de surface, les eaux souterraines ou l’eau de mer. Sa présence fait suite à l’érosion du sol ou des rochers, de la dislocation du sol, ou encore à des activités anthropogéniques, telle que l’activité minière ou agricole, et les effluents provenant des usines de traitement des eaux usées particulièrement les industries agro-alimentaires.

Nos adsorbants utilisées dans toutes les matrices ont permis un abattement presque de 100/100 du cuivre présent dans les eaux usées étudiées. L’efficacité des filtres à cendres volantes et aux mâchefers dans le cadre de l’élimination des métaux a été démontrée par d’autres [13,14,16,17]. Notre contribution est l’ajout desscories dans nos matricesdonnant ainsi des résultats intéressants. 

IV. CONCLUSION : 

Les eaux usées industrielles des transformations des viandes de volailles, sont une source de nuisances qui s’ajoutent aux nombreux problèmes de contamination de l’environnement si elles ne sont pas traitées avant rejet. Les métaux présents dans ces effluents 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 nappes phréatiques. Les résultats de cette étude ont prouvé la faisabilité d’éliminer les métaux en utilisant deux matrices efficaces composées des résidus de charbons et des scories. Les matricesformées par nos adsorbants cités plus hautont une performance épuratrice des métaux très importante. 

Ces dernières ont permis une stabilisation du pH, une diminution significative de DCO, DBO5 , les ortho-phosphates, les chlorures avec un abattement très satisfaisant. Les eaux usées purifiées pourront bien être réutilisées dans l’irrigation ou dans l’arrosage des espaces vert. Nous projetons valoriser la boue de filtration récupérée dans la réalisation d’un nouveau type de pavés autobloquants