Rétention des métaux lourds des eaux usées par la méthode de filtration percolation à travers des matrices formées de sol, cendres, mâchefers et sables de différentes tailles granulométriques
26 février 2021Paru dans le N°439
à la page 93 ( mots)
Rédigé par : A. LAAMYEM de Faculté des Sciences Université Chouaib Doukkal..., M. MONKADE de Faculté des Sciences Université Chouaib Doukkal... et Ibrahym DACHRAOUI de Université Chouaib Doukkali Faculté des sciences
La méthode ou la technique de purification des eaux usées de manière générale par filtration percolation reste le procédé de choix, non seulement dans les zones rurales, mais aussi dans de nombreux pays industrialisés. Cette méthode simple, sure, peu coûteuse et efficace dans des conditions très diverses. Elle présente, par rapport aux autres méthodes, l’avantage considérable de tirer un meilleur parti des compétences locales et des matériaux disponibles dans les pays en voie de développement et d’éliminer la contamination bactérienne. Il s’agit de l’élaboration de quatre colonnes verticales formées par matrices filtrantes constituées par des cendres volantes, des mâchefers, du sol et de sable marin de différentes tailles granulométriques à savoir 100?µm, 125?µm, 160?µm et 200?µm. le sable que nous avons utilisé a été prélevé le long du littoral de la ville d’El Jadida désaliéné ensuite séché dans une étuve à 40?°C. Les principaux paramètres analysés par ICP dans notre étude sont le Cd, Cr, Cu, Fe, Pb, Zn. Les résultats obtenus sont très satisfaisants. Pour valider nos résultats, l’analyse par ICP des filtrats obtenus a été comparée avec celle de l’eau potable. Le liquide purifié que nous avons obtenu, peut bien être utilisé pour des besoins industriels, comme liquides de refroidissement, ou au niveau agricultural en irrigation ou arrosage des terrains de football, terrain de golf, jardins publics et autres.
Les eaux usées en général sont très différentes d’une région à l’autre selon le site industriel et l’agglomération. 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. La zone dont on a prélève nos échantillons est située prés de la ville EL Jadida, d’une superficie de 120 Ha. Elle est composée de 350 lots dont la superficie moyenne varie entre 1.000 m et 10.000 m. Les entreprises implantées dans la zone appartiennent à cinq types d’industrie à savoir l’agro-alimentaire, Textile et cuir, Chimique et para chimique, Mécanique, Métallique et électrique, 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 avec un prétraitement 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 traitement au moins au niveau de la réduction de ces eaux par les métaux lourds. Dans ce contexte nous avons contribué par un système d’infiltration percolation en utilisant quatre colonnes formés de quatre étages constitués de cendres volantes, mâchefers, sol et sables marins de différentes tailles granulométriques. 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 liquides et pour donner plus de valeurs a nos résultats nous avons confrontes nos résultats obtenus par ces lits filtrants a l’eau potable. Toutes nos analyses ont été effectuées par ICP (Inductively-Coupled-Plasma). Les métaux lourds que nous avons poursuivit sont le Cd, Cr, Cu, Fe, Pb, Zn.
Figure 1 : Montage expérimental utilisé pour le traitement des eaux usées industrielles et urbaines.
Matériels et méthodes
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 dans un premier temps, soigneusement lavés et séchés à 40 °C dans une étuve, ensuite tamisés afin de déterminer ses différentes tailles granulométriques, et finalement analysés par diffraction X pour avoir une idée très précise sur le taux de présence de la calcite et de la silice et par spectroscopie ICP (Inductance couplage plasma) pour s’assurer de l’absence de traces des métaux lourds. Nous allons donc effectués nos expériences de traitements des eaux usées sur quatre colonnes, formée chacune de quatre couches qui sont : le sol, les cendres volantes, les mâchefers et du sable marin de 100 µm, 125 µm, 160 µm et 200 µm. Le montage expérimental que nous avons utilisé est schématisé sur la figure 1.
Résultat et Discussion
Les eaux usées ont été analysés soigneusement par ICP (Inductance couplage plasma), et ont montré la présence de plusieurs éléments très toxiques, et des traces de métaux lourds. Le tableau 1 présente en ppm le taux de présences de quelques éléments très toxiques, détectés dans les eaux usées, que nous avons utilisés dans nos expériences, dans leurs états brutes avant traitement.
Dans le tableau 2, nous avons exposé la valeur en ppm, de présence de ces mêmes métaux lourds dans les filtrats obtenu après filtration des eaux usées utilisées, par les différents filtres, que nous avons cités en haut. Pour valider les résultats obtenus, nous avons jugé très utile, et intéressant de faire une comparaison avec l’eau potable, que nous avons aussi analysé par ICP.
Les figures visualisent mieux les valeurs en ppm de la contenance, de chaque métal lourd, à la fois dans les eaux usées brutes, avant et après traitement a travers les différents filtres, et celles de références qui est l’eau potable du robinet.
Figure 2 : Évolution du cadmium avant et après traitement des eaux usées sur les quatre filtres, et dans l’eau potable.
Une grande quantité de cadmium est libérée dans l’environnement de façon naturelle. Environ 25.000 tonnes de cadmium sont libérées par an. Environ la moitié de ce cadmium est libéré dans les rivières lors de l’usure de la roche et, du cadmium est libéré dans l’air lors des feux de forêts et par les volcans. Le reste du cadmium relâché provient des activités humaines. Les flux de déchets de cadmium provenant des industries finissent principalement dans les sols. Ces flux proviennent par exemple de la production de zinc, des engrais bio-industriels. Une autre source importante d’émission de cadmium est la production de fertilisants non naturels à base de phosphate. Une partie du cadmium se retrouve dans le sol après que le fertilisant ait été appliqué sur les terres agricoles et le reste du cadmium se retrouvent dans les eaux de surface quand les déchets provenant de la production des fertilisants sont rejetés par les entreprises de production.
Figure 3 : Évolution du zinc avant et après traitement des eaux usées sur les quatre filtres, et dans l’eau potable.
Le cadmium peut être transporté sur de longues distances lorsqu’il est absorbé par les boues. Ces boues riches en cadmium peuvent polluées aussi bien les eaux de surface que les sols.
Le cadmium est fortement absorbé par les matières organiques dans les sols. Quand le cadmium est présent dans les sols cela peut être extrêmement dangereux, car la consommation par l’intermédiaire de la nourriture va augmenter. Les sols acidifiés amplifient la consommation de cadmium par les plantes. C’est un danger potentiel pour les animaux qui dépendent des plantes pour survivre.
Leur traitement a travers les quatre matrices a diminué la concentration du cadmium de 0,005 ppm à 0,003 ppm. 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 4 : Évolution du Plomb avant et après traitement des eaux usées sur les quatre filtres, et dans l’eau potable.
Le zinc est une substance très commune qui est présente naturellement. Beaucoup d’aliments contiennent du zinc. L’eau potable contient aussi une certaine quantité de zinc, qui peut être plus élevé lorsque l’eau est stockée dans des réservoirs en métal. Le niveau de zinc dans l’eau peut atteindre des niveaux qui peuvent causer des problèmes de santé à cause des rejets industriels et des lieux de déchets toxiques. Le zinc est un élément qui est essentiel pour la santé de l’homme. Lorsqu’on absorbe trop peu de zinc on peut alors avoir une perte de l’appétit, une diminution des sensations de goût et d’odeur, les blessures cicatrisent lentement et on peut avoir des plaies. Les carences en zinc peuvent aussi provoquer des problèmes lors des naissances.
La concentration du zinc dans les eaux usées industrielles a pour origine l’exploitation minière, la combustion du charbon et des déchets, et dans 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. Nous remarquons d’après les histogrammes une forte réduction de la concentration du zinc pour les 4 matrices.
Figure 5 : Évolution de fer avant et après traitement des eaux usées sur les quatre filtres, et dans l’eau potable.
La purification des rejets liquides industriels et urbaines, par les différentes matrices a permis une réduction très significatives. Nous notons toutes fois que les matrices 2 et 3 donnent le meilleur rendement de réduction de concentration en ppm de cet élément très toxique. L’abattement du Plomb s’explique par les différents minéraux argileux existants dans le sol, particulièrement la palygorskite
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.
Figure 6 : Évolution du cuivre avant et après traitement des eaux usées sur les quatre filtres, et dans l’eau potable.
La filtration des eaux usées, par les différentes matrices que nous avons utilisés a permis une réduction de cet élément respectivement de 95,26 % ; 92,63 % ; 94,74 % ; 93,68 % (voir figure 5). Cette élimination est du, a des micro-organismes présents dans les sols et les sables.
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 0.01, 0.009, 0.01 et 0.03 ppm respectivement pour les quatre filtrats récupérés, ce qui correspond aux rendements épuratoires respectifs de 85,71 % ; 87,14 % ; 85,71 % ; 57,14 %. 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.
Figure 7 : Évolution du Crome (Cr) avant et après traitement des eaux usées sur les quatre filtres, et dans l’eau potable.
La teneur du Crome détecté dans les eaux usées industrielles et urbaines, a été réduite considérablement de 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.
Conclusion
La filtration des eaux usées de types industrielles ou urbaines, sur des lits filtrants constitués par le sol agricole, les cendres volantes, les mâchefers et le sable marin du littoral, donne des résultats très satisfaisants que ce soit au niveau caractérisation physico chimique (PH, DCO, Chlorure, Orthophosphate et autres…), ou au niveau de la réduction très significative de la teneur en métaux lourds très toxiques détectés dans les eaux usées. Les analyses par ICP des filtrats obtenus par les quatre filtres que nous avons utilisées ont montrés le rôle primordial, que je joue ces filtres naturels, très peu coûteux, qui pourra bien être facilement utilisés dans les pays arides et semi arides particulièrement en Afrique, ou le stress hydrique devient problématique. La boue de filtration récupérée est revalorisée dans le domaine du bâtiment et de construction en fabriquant des pavés de bordures et chaussées après une étude approfondie de lixiviations et de tests mécaniques.
Cet article est réservé aux abonnés, pour lire l'article en entier abonnez vous ou achetez le
