Traitement des rejets liquides d’une industrie d’emballage de carton par infiltration percolation sur une colonne de mâchefers et de sable

30 novembre 2018 Paru dans le N°416 à la page 79 ( mots)

Rédigé par : A. LAAMYEM de Faculté des Sciences Université Chouaib Doukkal..., M. MONKADE de Faculté des Sciences Université Chouaib Doukkal..., A. ZRADBA de Faculté des Sciences d’El Jadida Université Cho... et 3 autres personnes

Ce travail présente un double objectif : la valorisation des cendres de foyer d’une centrale thermique à charbon, très abondantes dans la région, et le traitement des eaux usées issues de l’industrie de fabrication de carton. Les expériences d’infiltration percolation sont menées sur une colonne verticale cylindrique (h = 80 cm, S = 70,8 cm²) constituée d’une matrice filtrante (sable marin/mâchefers bruts/mâchefers tamisés). Pour le choix du sable utilisé, une étude comparative entre des sables prélevés de quatre plages de la région d’El Jadida a été menée. Le plus calcique des quatre a été retenu. Après une optimisation basée sur la méthode des plans d’expérience, deux combinaisons intéressantes sont considérées?: la première est constituée de 60?% en masse de mâchefers, et la seconde, moins riche en mâchefers, n’en contient que 27?% en masse. Les principaux paramètres analysés sont?: la matière en suspension (MES), la DCO, la DBO5, le pH et les métaux lourds exigés par la réglementation Marocaine. Ce système de traitement a permis d’atteindre une réduction de 87?% pour la DCO, 76?% pour la DBO5, 96?% pour la MES. Le rapport DCO/DBO5 du rejet avant traitement qui était supérieur à 4 est réduit de moitié. Pour les métaux lourds on a une réduction de 81.7?% pour le Fer, 64?% pour l’Arsenic et 50.2?% pour le Zinc.

Les centrales thermiques à charbon génèrent d’énormes quantités de sous-produits solides : des cendres volantes (CV) et de cendres de foyers (CF) ou mâchefers. La gestion de ces déchets présente un grand défi pour tous les pays [1-3]. Pour éviter leur abondance dans la nature, il est recommandé de les stocker dans des décharges contrôlées. Ce stockage pose un double problème : le premier est d’ordre économique en guise de gestion et d’aménagement des décharges, le deuxième est environnemental et se traduit par le risque de contamination des eaux et du sol en cas d’infiltration des éléments nocifs, notamment des métaux lourds (As, Cd, Pb, Fer, Zn…).

La centrale thermique Taqa Morocco, située à une vingtaine de kilomètres d’El Jadida est l’une des plus importantes au Maroc. Elle génère plus de 600 000 tonnes par an de déchets solides (80 % de CV et 20 % de CF). [4]. D’une manière générale, les cendres à charbon sont valorisables dans de nombreux domaines (ciment, béton, comblement, remblais…). Il y a aussi des tentatives intéressantes de leur utilisation comme lits filtrants dans le traitement des effluents industriels et domestiques [4-8] et dans le traitement des colorants [6, 9-12]. Dans ce contexte, c’est leur pouvoir adsorbant, leur porosité et leur grande surface spécifique qui entrent en jeu.

Nous avons pu valoriser les CV dans la filtration des eaux usées industrielles et de ville [1, 5, 8, 13]. Les résultats obtenus sont concluants dans la diminution de la charge polluante et surtout dans la réduction des teneurs en métaux lourds. Le présent travail consiste à remplacer les CV par des CF brutes et tamisées. La granulométrie des CF tamisées est réglée de manière à égaler celle des CV utilisée précédemment. Pour cela, nous avons choisis de traiter un effluent industriel très chargé en matière organique d’un rapport de DCO/DBO₅ supérieur à 4. Ce rejet liquide provient d’une industrie de fabrication d’emballage de carton ondulé de la région. Sa charge polluante provient essentiellement des eaux de lavage des cuves de colle, des chutes de colle, des bacs d’encre, des huiles de lubrification des machines, des purges de condensats au niveau de la chaudière, mais aussi des eaux sanitaires et de la cafétéria. Le rejet est directement dirigé vers le réseau municipal.

Le procédé utilisé est une infiltration percolation sur une colonne verticale formée d’une succession de supports naturels (sable marin) et de déchets industriels poreux (CF brutes et broyées).

L’optimisation de la matrice filtrante passe d’abord par le choix d’un sable performant. Pour cela, une étude des sables marins prélevés de quatre plages de la région a été faite au préalable. La combinaison (sable/CF brut/CF broyé) est une alternative possible qui valorise les CF dans le domaine de la filtration de cet effluent très pollué. Les eaux filtrées sont réutilisables comme eau de procédé ou dans l’irrigation. La pollution déplacée vers la matrice lors de l’infiltration percolation donnera un gâteau qui fera l’objet d’études ultérieures.

Matériaux et protocole expérimental

Echantillonnage

Nous avons procédé à l’échantillonnage pendant 24h (prélèvement chaque 2h). Le volume moyen de chaque échantillon est de 1 litre. Les prélèvements ont été directement extraits d’un regard à l’extérieur de l’usine d’emballage carton. Ce regard regroupe l’ensemble des rejets.

Analyses physico-chimiques

Les paramètres physico-chimiques à analyser ont été choisis suite aux exigences de la réglementation Marocaine par rapport aux valeurs limites de rejet des industries de papier et carton (arrêté 1606-06 portant fixation des valeurs limites spécifiques de rejet des industries de la pâte à papier, du papier et du carton) [14].

Tous les paramètres physico-chimiques des eaux usées ont été déterminés selon les méthodes standards d’analyse des eaux usées.

Le tableau 1 résume les références des appareillages utilisés

Structures et morphologie des adsorbants

Fig. 1 : Carte des sites de prélèvements des échantillons de sables

Les sables

Sites de prélèvement des sables :

Les échantillons de sables ont été prélevés de quatre plages situées entre Douar sidi Bonnaaym (Nord d’Azemmour) et El Oualidia comme indiqué sur la figure 1.

Le tableau 2 présente les coordonnées de chacun des échantillons de sables prélevés. Ces derniers ont été dans un premier temps, soigneusement lavés puis séchés à 105 °C dans une étuve [5], ensuite ils ont été tamisés afin de déterminer les différentes tailles granulométriques.

Suite aux plans d’expériences préétabli, pour cette étude, on a choisi le sable 4 (Oualidia) qui nous a permis d’atteindre des résultats optimaux lors du traitement des rejets de la cartonnerie.

Les cendres de foyer (CF)

Fig. 2 : Aspect visuel des cendres de foyer

Site de prélèvement :

Les cendres de foyer utilisées dans nos expériences d’infiltration percolation sont des sous-produits de la centrale thermique de Jorf Lasfar « JLEC » située à une distance de 25 km de la ville d’El Jadida sur la route qui mène à Oualidia. Elles se présentent sous forme de grains sombres poreux de couleur noir avec une granulométrie très variable. La figure 2 donne leur aspect visuel.

Les cendres de foyer prélevées sont scindées en deux parties : une partie reste à son état brut et une deuxième partie sera broyée et tamisée pour garder une granulométrie inférieure à 2 mm, similaire à celle des cendres volantes déjà utilisées dans nos travails ultérieurs [1, 5, 8, 13]. Cette opération permet d’augmenter la surface de contact des grains de cendres de foyer avec les substances polluantes des eaux usées et améliorer le phénomène d’adsorption.

Essais d’infiltration percolation sur une colonne verticale

Fig. 3 : Montage expérimental utilisé pour le traitement des eaux usées

Avant d’entamer les essais de filtration sur une colonne, on a réalisé au préalable des plans d’expériences ainsi que des essais de filtration sur des filtres de tailles réduites [1]. Cela a permis de déterminer la combinaison optimale des lits filtrants retenus pour la filtration sur la colonne verticale.

La figure 3 représente la matrice filtrante considérée, ainsi que l’ordre des lits filtrants utilisés.

Il s’agit d’une colonne cylindrique de longueur L = 80 cm, et de section S = 70,8 cm², dont on a placé quatre couches de granulométrie bien choisies comme le montre la figure 3.

Pour la filtration sur colonne, nous avons réalisé deux essais optimaux obtenus suite aux expériences réalisées au préalable [1, 13] : pour ces deux essais les eaux usées sont versées à travers les quatre couches de manière continue. La composition des matrices filtrantes est la suivante :

Essai 1 : la combinaison utilisée est constituée de 60 % de cendres de foyer et de 40 % de sables. Cette masse est répartie comme suit :

Une couche de 30 % de cendres de foyer bruts ;
Une couche de 20 % de sables fins ;
Une couche de 30 % de cendres de foyer fins ;
Une couche de 20 % de sables fins ;

Essai 2 : la combinaison massique utilisée est constituée de 27,2 % de cendres de foyer et de 72,8 % de sables. Cette masse est répartie comme suit :

Une couche de 13.6 % de cendres de foyer bruts ;
Une couche de 36.4 % de sables fins ;
Une couche de 13.6 % de cendres de foyer fins ;
Une couche de 36.4 % de sables fins

Résultats et discussion

Résultats de l’analyse des sables

Analyse granulométrique du sable 4 (Oualidia)

D’après une analyse granulométrique du sable 4, utilisé dans cette étude, sur une colonne de 12 tamis (méthode normalisée NF P 18-560). En faisant passer une quantité de 100 g de sable à travers les 12 tamis dont les mailles sont classées par ordre décroissant (série AFNOR) et auquel on applique un mouvement vibratoire mécanique durant 30 minutes. La représentation graphique de l’analyse granulométrique du sable utilisé est représentée dans la figure 4.

A partir de cette courbe granulométrique, on déduit que plus de 60 % des particules du sable utilisé ont une granulométrie inférieure ou égale à 0.3 mm. C’est donc un sable fin.

Le coefficient d’uniformité définit par CU = d₆₀/d₁₀ : (où d₆₀ et d₁₀ sont respectivement les diamètres des tamis qui laissent passer respectivement 60 % et 10 % de l’échantillon) reste inférieur à 2 pour les quatre sables étudiés. Pour le sable 4 on a un CU égal à 1,33, ce qui indique que la taille des particules peut être considérée comme uniforme.

Analyse chimique des sables

Le sable est une roche sédimentaire meuble, constituée de petites particules provenant de la désagrégation d’autres roches dont la dimension varie généralement de 50 μm à 2 mm. Les sables peuvent être naturels ou artificiels mais ceux les plus employés sont les sables naturels. Il existe trois types de sables : sable transporté par le vent ou sable éolien (sable de dunes) qui présente une caractéristique uniforme plus anguleuse que le sable transporté par l’eau (sable de rivière, sable de plage ou sable de carrière) qui possède plutôt une forme plus ronde. Le sable éolien est plus opaque que le sable aquatique [15].

La composition chimique des sables a été identifiée par Spectrométrie d’émission atomique par plasma à coulage inductif (ICP-AES). Les éléments majeurs identifiés sont présentés sur le tableau 3.

On peut remarquer que le sable 4 d’Oualidia est le plus calcique des quatre sables étudiés, il est aussi le plus fin.

Résultats de l’analyse des cendres de foyer

Fig. 5 : Granulométrie des cendres de foyer

Analyse granulométrique

La représentation graphique de l’analyse granulométrique des cendres de foyer ainsi que les cendres de foyers broyés est représentée dans les figures 5 et 6.

L’analyse de ces deux courbes granulométriques montre que la taille prépondérante des CF brutes est 0,6 mm, alors que celle des CF broyés est entre 0,1 et 0,2 mm.

Composition chimique des cendres de foyer

Les résultats d’analyse ICP de la composition chimique des cendres de foyer de JLEC sont présentés dans le tableau 4.

La composition chimique des CF dépend essentiellement du type et de la source du charbon brulé dans la centrale thermique, mais aussi du processus de sa combustion. Elle est donc très variable comme le montrent plusieurs études.

Fig. 6 : Granulométrie des cendres de foyer broyées

Les principaux composants des CF qui font l’objet de la présente étude sont l’oxyde de silicium (SiO₂), l’oxyde d’Aluminium (Al₂O₃) et l’oxyde de fer (Fe₂O₃). Ces trois oxydes constituent plus de 80 % de la composition globale. Ce sont donc des cendres silico-alumineuses de classe F. L’oxyde de calcium (CaO) ne dépasse guère les 2 %.

Composition minéralogique des cendres de foyer

La diffraction des rayons X est une méthode très efficace pour identifier les espèces cristallines d’un matériau. Cependant, cette technique, utilisée seule, ne permet qu’une identification des phases cristallisées. La composition minéralogique des cendres de foyer de JLEC est établie par diffraction aux rayons X (Figure 7), a révélé la présence une quantité importante (pics plus intense) du quartz (SiO₂) et de la mullite (Al₆Si₂O₁₃) dans les deux matériaux. Et autres pics moins intenses comme la calcite, hématite et corundum. Ceci peut être expliqué par la composition du charbon utilisé qui est généralement constitué de silice cristallisée sous forme de quartz et de minéraux phyllitheux du groupe des argiles.

Fig. 7 : Analyse minéralogique des cendres de foyer

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 d’une partie amorphe [4].

Analyse des cendres de foyer par microscopie électronique à balayage (MEB)

Fig. 8 : Analyse des cendres de foyer par microscopie électronique à balayage

La figure 8 illustre la structure morphologique des cendres de foyer brutes obtenue au MEB avant filtration : elles se présentent sous la forme de particules poreuses de tailles irrégulières. Cela va dans le sens signalé par Wei-ling Sun et al [7], qui ont étudié une cendre de foyer similaire. Ils ont montré que la plupart des grains de cendres de foyer se présentent sous forme de sphères creuses ou de sphères comblées par des sphères plus petites.

Nous avons également établi une surface spécifique pour les CF de l’ordre 400 m²/kg, qui est pratiquement la moitié de celle établie pour les CV (790 m²/kg). Cela nous a amené à en utiliser une partie broyée.

Résultats des essais de filtration percolation

Fig. 9 : Eaux usées avant et après traitement par infiltration-percolation sur une colonne verticale

Aspect visuel avant et après traitement sur la colonne

La figure 9 montre une décoloration maximale de l’eau usée étudiée obtenue en utilisant la filtration sur une colonne en utilisant la matrice (sables, cendres de foyer brutes, cendres de foyer broyées). Au niveau olfactif, il y a une disparition complète des odeurs très fortes après filtration.

Caractéristiques physicochimiques des eaux usées issues de la cartonnerie

Le tableau 5 ci-après récapitule les résultats des différentes analyses faites pour les eaux usées issues de la cartonnerie avant filtration. La matière en suspension (MES), la demande chimique en oxygène (DCO) et la demande biologique en oxygène (DBO₅) dépassent de loin les exigences fixées par la règlementation Marocaine [14].

Pour ce qui concerne les teneurs en métaux lourds, on se limitera ici à suivre la concentration des trois éléments Fe, Zn et As exigés par la norme marocaine. Le tableau 6 présente ces teneurs avant traitement. On constate également un dépassement des normes pour le fer et le zinc.

Évolution du pH

Les eaux usées traitées dans les deux essais montrent une neutralisation du rejet puisque son pH passe d’une valeur acide de 6 à une valeur pratiquement neutre de 7.4 (figure 10).

Nous avons remarqué une augmentation du pH après filtration. Probablement, cette basicité naturelle, provenant principalement des feldspaths qui sont des aluminosilicates alcalins, correspond à la libération des ions de nature basique dans les eaux usées [7].

Abattement de la matière organique (DCO et DBO₅)

Les eaux usées traitées dans les deux essais montrent une réduction de la pollution organique à savoir la DCO avec un taux d’abattement maximal de 87 % (figure 11). Les deux essais ont permis une réduction de la pollution organique en termes de DBO₅ avec un taux d’abattement maximal de 76 % et d’une teneur minimale en DBO₅ de 987 mg/l (figure 12).

Les cendres de foyer contiennent une importante teneur en silice, un important adsorbant possédant une forte polarité électrique et des éléments minéraux en particulier les ions ferreux (Fe₃+), ces derniers contribuent à la neutralisation des charges négatives des matières organiques contenues dans les eaux usées [7].

Le rapport de DCO/DBO₅ du rejet avant traitement est égal à 4,34. Cette valeur extrêmement forte, le rend difficilement biodégradable. Le système d’infiltration percolation utilisé a permis de réduire le rapport DCO/DBO₅ à 2.

Abattement de la MES

Les matières en suspension se présentent dans les eaux usées sous diverses formes : matières en suspension minérales, matières en suspension organiques. En raison des phénomènes de répulsion, les colloïdes forment généralement des suspensions très stables. Les phénomènes d’adsorption agissent alors de manière à neutraliser leurs charges, afin de favoriser leur agglomération et permettre leur décantation. Les MES vont donc être piégées dans la masse granulaire du filtre et former des agrégats par floculation, ce qui explique les résultats illustrés dans la figure 13 et qui montre une réduction maximale à 96 % par filtration sur colonne.

Abattement des métaux lourds

Le traitement a permis d’atteindre un taux d’abattement de zinc de 50.2 % et un taux d’abattement de fer de 81.7 % avec des valeurs minimales de 1.25 mg/l et 2.88 mg/l. Cela va dans le sens signalé par Taoufiq et al [8] qui ont traité des eaux industrielles sur une colonne à base de CV, de sable et de CF.

Ces valeurs élevées de fer et de zinc dans les eaux usées peuvent avoir comme source les encres d’impression utilisées.

Pour l’arsenic, l’analyse du rejet montre une concentration très faible avant traitement et qui satisfait déjà la norme exigée.

Conclusion

Cette étude qui est une suite aux travaux menées dans notre laboratoire pour traiter des effluents industriels sur des matrices en colonnes, où on associe aux sables du littoral les sous-produits solides (CV et CF) de la centrale thermique JLEC. On montre ici que les CF associées à un sable fin et calcique donnent des résultats intéressants dans le traitement d’un rejet très pollué, issu d’une industrie de fabrication d’emballage de carton ondulé. Pour cela, deux colonnes sont retenues : la première est formée d’une matrice

(CF brutes (30 %)/sable/CF broyées (30 %)/sable) et la seconde présente une matrice (CF brutes (13,6 %)/sable/CF broyé (13,6 %)/sable). Les hauteurs des lits filtrants et leurs masses sont obtenues après optimisation par la méthode des plans d’expérience.

Ce système de traitement nous a permis d’atteindre une réduction de 87 % pour la DCO, 76 % pour la DBO₅, 96 % pour la MES. Pour les métaux lourds exigés par la norme marocaine, on a obtenu une réduction de 81.7 % pour le Fer, 64 % pour l’Arsenic et 50.2 % pour le Zinc.

Un double objectif a été atteint : valoriser des cendres de foyer abondantes dans la région et traiter un effluent industriel très pollué. On déplace donc, la charge polluante du rejet fluide vers un milieu poreux qui la piège par adsorption.

Au niveau environnemental, la fixation de cette pollution dans la matrice filtrante est une perspective intéressante. Le caractère de pouzzolane que présentent les CF agira dans le sens de réduire la quantité de ciment portland nécessaire pour amender le gâteau d’infiltration percolation obtenu. Des mortiers seront donc fabriqués à base de ces boues. La composition des deux essais présentés, (60 % et 27 % en CF), s’apprête bien à la mise en évidence de l’influence de la teneur en CF sur les propriétés mécaniques, mais aussi, sur le largage des métaux lourds après une étude de lixiviation des mortiers.

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