Traitement des effluents liquides par oxygénation et par filtration percolation à travers des matrices purifiantes constituées de sable marin, de sol agricole et de cendres

INTRODUCTION 

Les rejets liquides industriels, présentent un large spectre de polluants organiques et inorganiques sous forme d’état solide ou dissout, tels que les solvants, les polymères, métaux lourds, hydrocarbures, huiles, graisses, sels, des polluants biologiques, bactéries, virus et champignons…etc. Le traitement des eaux usées par oxygène avant filtration peut être utilisé dans trois optiques différentes. Tout d’abord l’oxygène peut être introduit dans l’eau usée en tant que traitement lui-même, car un taux d’oxygène optimal dissous dans l’eau 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. 

La seconde optique de l’oxygénation de l’eau intervient lors de la production d’eau potable: l’eau, pour être consommable, doit contenir une certaine proportion d’oxygène qu’il convient de réguler. L’atout majeur du traitement de l’eau par l’oxygène réside dans le fait qu’il n’utilise aucun élément polluant, l’oxygène étant présent naturellement dans notre environnement. La troisième optique est que le traitement des eaux usées permet de lutter contre la constitution du sulfure d’oxygène (H2S). 

Cette source d’azote constitue un gaz désagréable et ultra toxique pour l’homme ainsi que pour la planète entière. Le but du présent travail est d’utiliser une nouvelle technique de traitement des effluents liquides en oxygénant d’abord pendant 30 à 60 minutes les eaux usées, ensuite entamer la purification de ces derniers par le procédé de filtration percolation (figure 1), et ce en utilisant des adsorbants composés de sable marin, du sol agricole et des cendres de la centrale thermique JLEC, située à 16 Km Sud-ouest de la ville d’el Jadida (Maroc).

MATÉRIELS ET MÉTHODES 

Les matériaux utilisés durant cette étude sont composés de sables marin de granulométries adéquates, de cendres volantes et de sol agricole bien tamisé (figure 1). Le sable utilisé a été prélevé le long du littoral de la ville d’El Jadida. Ce dernier a été lavé et finalement séchés soigneusement dans une étuve à 40 °c. 

Les cendres volantes sont les particules non combustibles entraînées par les fumées lors de la combustion du charbon pulvérisé, utilisé dans les centrales thermiques. Leur composition minéralogique est variée et dépend des différents types de matières incombustibles présentes dans le charbon. 

D’une façon générale, elles sont constituées d’aluminosilicates vitrifiés de calcium, fer, magnésium, potassium, et sodium, associées à des phases de quartz, de silicate d’aluminium et magnétite. Des travaux récents ont montré l’efficacité des cendres volantes pour la réduction et l’élimination de différents polluants organiques et minérales dans l’air (NOx, SOx) et dans l’eau par phénomène d’adsorption. Le sol agricole provient d’un champ voisin de la ville d’El Jadida très riche en calcite et silice.

Eaux usées étudiées 

Le prélèvement des eaux usées a été effectue directement au niveau d’un lac servant aux rejets liquides que ce soit urbains, industriels, médicaux et autres de la ville de Berrechid (figure 2) 

Ces rejets liquides ont été stockés à 5°C et conservés à l’abri de la lumière pour éviter toute éventuelle modification physico-chimique.

Le dispositif expérimental utilisé dans ce travail (figure 3), est composé d’une colonne en verre de 20 cm de diamètre et de 100 cm de longueur et d’une bouteille d’oxygène pour oxygénation des eaux usées brutes avant filtration (figure 3),

Résultats et discussions 

Le tableau 1 ci-dessous, regroupe les résultats obtenus avant et après traitement des eaux usées brutes oxygénées étudiées à travers des matrices filtrantes formées de différents supports utilisés dans cette étude. Matrice 

M1: Sable, cendre volante, sol Matrice 

M2: sable, mâchefer, sol Matrice 

M3: Sable, cendre volante, sable Matrice

M4: Sable, coquille d’œuf, machefer. 

Matrice M5: Sable, cendre volante, sol, coquille 

Pour mieux comprendre les résultats obtenus (tableau 1), et dans le but de mieux comparer les valeurs des différents paramètres physico-chimiques obtenus avant et après traitement, il serait très utile de représenter ces résultats sous formes d’histogrammes.

• Evolution du pH

Le rejet liquide étudié a un caractère basique avec des valeurs dépassants 8 degré pH, de tel effluent rejeté dans la nature sans traitement préalable aurait un impact négatif sur l’environnement et peut causer des déséquilibres physicochimiques des milieux récepteurs (figure 4). 

Le passage de ces eaux usées à travers les cinq matrices composées de sable, du sol agricole, de cendres volantes et des mâchefers a permis la régulation du Ph à une valeur inférieure à 8. 

Cette neutralisation peut être expliquée par le caractère basique des supports filtrants utilisés en impliquant des processus d’échange d’ions et des phénomènes de complexation de surface qui se fait entre les supports et les ions hydrogène, qui tendent ainsi à diminuer le pH des eaux filtrées [1- 4].

• Evolution des matières en suspension

Les effluents étudiés sont chargés en matières en suspension avec des valeurs dépassant les 800 mg/l (figure 5). Ces particules fines de nature organique ou minérale augmentent la turbidité des eaux et empêchent la pénétration de la lumière réduisant différentes activités biologiques dans le milieu récepteur [5-7]. 

Le système de traitement utilisé a permis une élimination quasi totale des matières en suspension. Cette élimination peut être expliquée par des phénomènes de fixation et d’adsorption de ces particules à la surface des différents supports [8-11].

• Evolution de la conductivité électrique

Les eaux usées étudiées présentent une forte conductivité dépassant les 2,6 mS.cm-1, cette conductivité traduit souvent le degré de minéralisation globale des eaux usées, qui peut être due à la présence des sels dessous dans ces effluents (figure 6).

Le passage de ces rejets liquides à travers les différentes matrices a permis une amélioration de la valeur de la conductivité électrique. Cette amélioration peut être expliquée par le phénomène de diffusion ionique ou par le phénomène d’adsorption des différents ions (sels dissous) responsables de cette conductivité, sur les différents supports composant le système de filtration [12-15]

• Evolution des ions chlorure 

Les eaux usées oxygénées étudiées représentent une charge en ions chlorures avec des concentrations de l’ordre de 1200 mg/l (figure 7). Le traitement de ces rejets liquides par le système utilisé a permis une bonne réduction de ces ions.

 Cette élimination peut être expliquée par des phénomènes de fixation et par échange d’ions, les différents cations (Na+ , Ca2+, Fe2+, Al3+, …) des supports utilisés piégeant ces ions par adsorption au niveau de leur surface [16-18]. Les cendres volantes et le sol sont connus comme des matériaux naturels présentant une bonne capacité d’échange d’ions et un pouvoir d’adsorption des ions chlorures ainsi que d’autres polluants [19-21]

• Evolution des ions ammonium 

Les effluents étudiés présentent une forte charge en ions ammonium dépassant les 500 mg/l (figure 8). De telles concentrations auraient un impact négatif sur le milieu récepteur, ainsi ils peuvent provoquer des problèmes de corrosion des conduites et des canalisations qui véhiculent les eaux usées [22‑24]. 

Après passage à travers les filtres composant notre système de traitement, nous avons constaté une réduction de plus de 90% en concentrations de ces ions. Cette élimination peut se faire soit par phénomène d’adsorption sur les différents supports utilisés pour la filtration ou par capacité d’échange d’ions. Des travaux récents ont montré l’efficacité et la capacité d’échange et de sorption des ions ammonium par les cendres volantes et par les différentes argiles composant le sol agricole et grâce à la présence des bactéries nitrifiantes dans le sol [25-27].

• Evolution des ions orthophosphates 

Les concentrations élevées en ions orthophosphates, rencontrées dans les eaux usées étudiées peuvent être d’origines de différentes activités industrielles, telles que la production des engrais et détergents. Les rejets liquides étudiés présentent des concertations dépassant les 75 mg/l (figure 9). 

Ces fortes charges en phosphore peuvent engendrer différents problèmes au niveau des milieux récepteurs tels que le phénomène d’eutrophisation, qui se traduit par une croissance excessive des algues dans les écosystèmes aquatiques [28]. Après passage sur les différentes matrices filtrantes, nous avons noté un taux d’élimination dépassant les 40%. 

Cette élimination peut être expliquée par le phénomène de sorption des ions orthophosphates sur les matrices filtrantes utilisées ou par précipitation et complexation avec des éléments constituants les feuilles des supports composants le lit filtrant, tels que Al2 O3 , Fe2 O3 et CaO, qui sont considérés comme précipitant pour l’élimination physico-chimique du phosphore [29-30].

• Evolution de la demande chimique en oxygène

La pollution organique englobe des matières organiques biodégradables ou non, qui résultent de différentes activités humaines, agricoles et industrielles (figure 10). Cette pollution organique peut générer différents problèmes au niveau du milieu récepteur, mauvaises odeurs, dégradation de la faune et la flore, appauvrissement en oxygène [30]. 

Les effluents liquides étudiés sont chargés en matières organiques, le passage sur les différents supports composant le système de filtration a permis un abattement de la pollution organique sans oublier que l’oxygène introduit dans l’eau usée avant sa filtration est considéré comme traitement lui-même, car un taux l’oxygène dissous dans l’eau usée avant sa filtration a permis 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. Le sable marin et le sol agricole utilisés comme supports filtrants ont déjà montré leur efficacité et leur capacité de rétention et d’adsorption de différents polluants organiques et inorganiques. Lors d’une étude de recherche, il a été rapporté que les cendres volantes et d’autres minéraux argileux ont démontré une efficacité à réduire et à enlever des phénols et des métaux lourds ainsi que d’autres polluants organiques présents dans les eaux usées [31-35].

• Evolution de la demande biologique en oxygène

La diminution de la demande biologique en oxygène a permis un taux de réduction de: 70%; 72%, 76%, 75%, 75%. (Figure 11). L’abattement de la demande biologique en oxygène fait intervenir des phénomènes physiques de sédimentation et de filtration ainsi que des phénomènes biologiques associés à la flore bactérienne du lit filtrant et la bonne oxygénation des effluents liquides avant d’entamer la filtration par les matrices [18].

CONCLUSION

La gestion et l’évaluation des risques environnementaux associés aux effluents liquides est une approche qui nécessite l’intégration de nombreuses connaissances dans le domaine de la chimie, la biologie, l’écologie et l’environnement. 

Les résultats obtenus par notre méthode d’oxygénation des eaux usées avant d’aborder la purification de ces derniers par filtration percolation à travers des matrices constituées de sable marin, du sol agricole et des cendres volantes a démontré son efficacité pour le traitement des rejets liquides, avec un rendement d’élimination moyen dépassant les 79% pour l’ensemble des paramètres physicochimiques étudiés.

 Lors de cette étude, nous avons étudié différents paramètres physicochimiques à savoir le pH, les matières en suspension (MES), la demande chimique en oxygène (DCO), la demande biologique en oxygène (DBO5 ), la conductivité électrique (CE), les ions chlorure (Cl- ) les ions ammonium (NH4 + ) et les ions orthophosphates (PO4 3-). 

En utilisant ce procédé de traitement, nous avons obtenu des eaux usées filtrées qui répondent parfaitement aux normes et peuvent être réutilisées en agriculture et pour l’irrigation des espaces verts et pour les systèmes de refroidissement des machines industrielles.