Traitement physico-chimique des boues activées : étude de cas

INTRODUCTION 

L’eau, étant un bien économique, social et environnemental, est au cœur des préoccupations majeures de ce temps. Il est donc nécessaire et important de préserver ses ressources pour garantir sa disponibilité, en adoptant des formes d’exploitation durables qui permettent de satisfaire les exigences actuelles tout en tenant compte de la protection des écosystèmes de notre environnement. 

La pollution des eaux définie comme étant une dégradation physique, chimique ou biologique provoquée par l’activité humaine perturbe les conditions de vie et l’équilibre aquatiques compromettant ainsi les multiples utilisations. Cependant, la qualité des eaux de surface est aussi bien influencée par des processus naturels (érosion des sols, précipitation, évaporation) que par l’activité humaine (agriculture, eaux usée urbaines et industrielles) [1]. Au Maroc, les volumes d’eaux usées rejetés ont été estimés à 470 Mm3 par an en 1994 et atteindraient 900 Mm3 par an en 2020 (Ministère de l’Agriculture et de la Mise en Valeur Agricole, Maroc, 1998). A l’instar des pays en développement, l’essentiel des eaux usées sont déversées dans le milieu naturel sans traitement. Néanmoins, ces dernières années, l’accroissement de la demande en eau pour la consommation humaine, industrielle, agricole et les sécheresses répétées qui sévissent au Maroc ont sensibilisé les décideurs à considérer les eaux usées comme une ressource hydrique appréciable, d’où la nécessité d’un programme national d’épuration des eaux usées [2]. 

Un environnement sain et une bonne hygiène au quotidien sont indispensables à la santé, dans ce sens, la ville de Tanger, région stratégique pour le développement touristique et industriel du pays, a engagé une politique globale en vue de traiter les eaux usées avant leurs rejets afin de préserver le milieu naturel. D’où la nécessité d’une station d’épuration capable de faire face à ces différents défis qui menacent la protection de l’environnement, c’est le cas de la station de BOUKHALEF qui est une station d’épuration à boue activée fonctionnant à faible charge. Mon travail s’inscrit dans ce cadre, il présente un diagnostic sur l’environnement entourant la STEP de BOUKHALEF, on se basant sur le dépouillement des résultats des analyses physico-chimiques des boues activées. Les résultats du diagnostic sont présentés sous forme des tableaux pour établir des liens entre plusieurs paramètres afin de comprendre les problèmes qui menacent l’environnement actuel de cette région. 

MATERIEL ET METHODES 

• Qu’est-ce qu’une station d’épurations? 

C’est une installation destinée à épurer les eaux usées domestiques ou industrielles et les eaux pluviales avant le rejet dans le milieu naturel. Le but du traitement est de séparer l’eau des substances indésirables pour le milieu récepteur. 

Une station d’épuration est généralement installée à l’extrémité d’un réseau de collecte. Elle peut utiliser plusieurs principes, physiques et biologiques. Le plus souvent, le processus est biologique car il fait intervenir des bactéries capables de dégrader les matières organiques. La taille et le type des dispositifs dépendent du degré de pollution des eaux à traiter [3]. Une station d’épuration est constituée d’une succession de dispositifs, conçus pour extraire en différentes étapes les différents polluants contenus dans les eaux. La pollution retenue dans la station d’épuration est transformée sous forme de boues. La succession des dispositifs est calculée en fonction de la nature des eaux usées recueillies sur le réseau et des types de pollutions à traiter.

Localisation et caractéristiques du site d’étude 

La région faisant l’objet de cette étude, situé au sud-ouest de la ville de TANGER à la sortie de la ville vers ASSILAH. La région Boukhalef - Gzenaya caractérisé par deux zones Industrielle La zone franche (T.F.Z) et la zone industrielle Gzenaya (Z. I.G). 

La STEP Boukhalef est située dans la zone Boukhalef. Elle a été construite par PRIDESA, une société espagnole en 2001. Depuis le 15 Octobre 2008, AMEDIS l’a prise en charge [4]. 

La station traite les rejets urbains et industriels de : 

• La zone franche. 

• La zone industrielle Gzenaya. 

• Quartier Boukhalef. 

• Complexe El HASSANI. 

• Station ELHAJRIENE.

Caractérisation des rejets et origine des principaux polluants Les Rejets Industriels 

La base économique de Tanger se caractérise par un dynamisme relativement important, qui s’appuie sur le développement d’activités diversifiées. L’activité industrielle de la ville de Tanger constitue le deuxième pôle économique du Maroc après Casablanca. Dans notre site d’étude les principaux rejets industriels viennent de deux zones industrielles (T.F.Z et Z.I.G) La typologie de ces activités peut être regroupée comme suit: 

• Confection-Textile. 

• Chimie-Parachimie. 

• Agroalimentaire. 

• Métallique et mécanique. 

La ville de Tanger compte environ 700 unités industrielles. Les secteurs de textile et du cuir constituent l’activité principale (36%), suivie d’autres industries diverses (27%), du secteur métallique et mécanique (19%), du secteur chimique et para chimique (13%) et du secteur agroalimentaire (5%).

Les zones industrielles génèrent des déchets industriels banals (emballages, produits inertes, etc.) et des déchets industriels spéciaux. Leur composition est variable selon le type d’industrie. On distingue: 

• Les effluents à caractère minéral dominant 

Rejeté par les Industries sidérurgiques, Industries chimiques (pigments et colorants) qui rejettent des produits toxiques comme les cyanures et les métaux lourds, des éléments radioactifs, des détergents. Ils sont aussi des eaux de procédé dans les usines métalliques et métallurgiques, ils peuvent contenir des solvants, des substances alcalines ou acides, des huiles et graisses, des peintures, des détergents, des phosphates, des matières en suspension surtout inorganiques, des substances toxiques comme des cyanures ou des métaux, etc. Lorsque les entreprises procèdent au placage, le pH des eaux de procédé est souvent inférieur à 5,5 ou supérieur à 9,5. Ils peuvent avoir une température relativement élevée et contenir d’importantes quantités de matières minérales en dilution ou en suspension. Les eaux de procédé du secteur de la transformation du métal s’avèrent toxiques comme le laissent supposer les produits énumérés ci-dessus et ne se prêtent pas à un traitement biologique [5]. 

• Les effluents à caractère organique dominant 

Rejeté principalement par les industries agroalimentaires telles que les abattoirs, brasseries, boissons, confiseries, laiteries, conserveries, etc.… Ces sociétés rejettent en général de grandes quantités d’eaux usées chargées en MES et matières organiques, mais relativement exemptes de substances toxiques, en dehors de produits chlorés. Les abattoirs sont par contre responsables de rejets très riches en matières organiques, dont en particulier des graisses, et des matières solides en suspension. Ces rejets sont biodégradables et variables dans le temps et l’effluent transporte la plupart du temps des matières rapidement fermentescibles, dont certaines sont susceptibles de provoquer des colmatages du réseau d’assainissement (tels que les graisses, les matières en suspension) [5]. Les eaux usées contiennent de fortes concentrations de composés organiques dissous et en suspension. Les salaisons et les fromageries, par exemple, rejettent fréquemment des eaux usées qui ont un pH très élevé et qui, à d’autres moments, sont très acides, ces fluctuations étant dues aux opérations de lavage. De nombreuses industries de ce secteur rejettent des eaux contenant des quantités appréciables de graisses (H&G), de phosphore (P), d’azote (NTK) et de chlorure de sodium. Dans l’ensemble, les eaux de procédé de ce secteur peuvent être épurées efficacement par des traitements biologiques [6]. 

• Les effluents à caractère mixte 

Rejeté par les industries de textile, des papeteries, des usines pétrochimiques et raffineries, des industries pharmaceutiques. En plus des matières minérales, ces eaux résiduaires contiennent des graisses, des colorants, … [6]. 

Les Rejets Domestiques 

Lors du dernier recensement général de la population en 2004, la population de Boukhalef était de 18699 habitats avec une population rurale de 15512 habitats et 3187 habitats dont centre Geznaya (RGPH 2004); ce dernier s’élevait à 13737 habitants dans une superficie de 153 Km2 après la nouvelle division de 2008 [7]. Mais d’après la communauté urbaine de Gzenaya c’est juste 44% des habitants (6044 habitants) qui sont lié aux réseaux d’assainissement, on peut conclure que les rejets d’origine domestique dans notre site d’étude viennent de : 

• Zone habitat Gzenaya centre. 

• Zone habitat Al-Omran au Sud-Este de station d’épuration. 

• Zone habitat Boukhalef-Souani. 

• Deux zones industrielles (T.F.Z et Z.I.G) du au grand nombre des employeurs [7]. 

Types de boues 

• Les boues primaires : (boues de traitement primaire) 

Elles sont produites par une simple décantation des matières en suspension (MES) contenues dans les eaux usées. 70% de MES peuvent ainsi être retenues. Avec l’évolution de la conception des stations, ce type de boues est en train de diminuer. 

• Les boues physico-chimiques : (boues de traitement physico-chimiques) 

Variante du type précédent, les matières organiques particulaires ou colloïdales contenues dans les eaux usées sont agglomérés par addition d’un réactif coagulant (sels de fer ou d’aluminium). 90% de MES peuvent ainsi être captées. Séparées par décantation, les boues obtenues renferment une partie importante de sels minéraux issus des eaux brutes et de l’agent coagulant. Les boues physico-chimiques sont surtout produites dans des stations balnéaires ou touristiques, aux variations de populations très grandes sur une courte période. 

• Les boues biologiques : (Boues de traitement biologique) 

Les boues biologiques (encore appelées boues secondaires) sont les boues issues du traitement biologique que ce soit en culture libre (boues activées) ou en culture fixée (lits bactériens, disques biologiques, etc.). Elles sont donc constituées essentiellement de corps bactériens «cultivées» dans les ouvrages d’épuration et de leurs sécrétions. Très organiques, elles présentent, à la sortie du système d’épuration des eaux, des concentrations médiocres (autour de 10 g/l). Pour maintenir l’activité biologique de la station à bon niveau, une partie de la masse des bactéries ou «biomasse en excès» doit être prélevée soutirée régulièrement, entretenant ainsi la dynamique de reproduction bactérienne. 

Paramètres Physico-chimiques et Techniques d’analyses 

L’étude a été réalisée sur la boue de station d’épuration Boukhalef, cette étude présente un ensemble d’analyses «physico-chimiques» le plus large possible pour donner une carte d’identité ou une idée plus ou moins globale sur la boue. La plupart de ces analyses ont été utilisées selon les normes AFNOR sur la qualité des sols [8].

Préparation de l’échantillon pour les analyses physico-chimiques 

L’échantillon destiné au laboratoire est soumis à différentes étapes avant les analyses : 

• Prélèvement - réception - identification; (Nous recevons ces boues après le prélèvement dans des sacs en plastiques soigneusement fermés afin de minimiser tout contact avec l’air. Ils sont conservés à froid à une température de 4°C pour minimiser toute activité bactérienne qui pourrait modifier leurs propriétés). 

• Séchage dans l’étuve à environ 40°C; 

• Tamisage sur des tamis déterminés (2mm); 

• Mise en réserve dans des récipients. 

• Préparation de l’échantillon sec (NF X 31-101 NF ISO 11464): Cette norme consiste à sécher l’échantillon dans une enceinte climatique (l’étuve) à une température de 40C° jusqu’à ce que la masse soit constante. Le résultat de la teneur en humidité est représenté à partir de la relation suivante: 

Avec: m0: la masse de l’échantillon (en gramme) avant séchage. m1 : la masse de l’échantillon (en gramme) après séchage [8].

Matériels utilisées 

• Le potentiel Hydrique (pH) 

Le pH est une mesure de l’acidité de l’eau. C’est-à-dire de la concentration en ions d’hydrogène (H+) [9].

Expression des résultats : L’addition des deux pH divisés par 2 donne le pH moyen (pHm). On applique la formule suivante: 

PHm = pH1 + pH2 /2 

pH1: pH du premier bécher 

pH2: pH du deuxième bécher

• Détermination de la matière organique par PAF

La matière organique de la boue est un mélange de constituants majoritairement végétaux en voie de décomposition (humus), d’origine naturelle ou apportés par l’homme, et d’organismes vivants. Elle est une source d’énergie et de nutriments pour les organismes vivant dans le sol. L’activité biologique et la stabilité des écosystèmes sont donc étroitement liées à la présence de matière organique. La matière organique des sols est, avec la biomasse végétale, l’un des principaux compartiments de la biosphère stockant le carbone [8].

Calcul et expression des résultats : 

Les résultats de l’échantillon sont calculés à partit des équations suivantes : 

Pourcentage de matière organique :

MO: Matière organique; 

P0: poids du creuset vide;

P1: poids final; 

P2: poids du creuset contenant les cendres ; 

Pourcentage de dioxyde de carbone :

CO2 : dioxyde de carbone; 

P0: poids du creuset vide; 

P1: poids final; 

P2: poids du creuset contenant les cendres ; 

• La Conductivité électrique

La norme utilisée est la NF X 31-113 qui est basée sur l’extraction des sels d’un échantillon soluble dans l’eau, dans des conditions bien définies et dans un rapport boue /eau égal à 1/5.

• Le Taux d’humidité 

L’humidité est la quantité d’eau libre ou de vapeur d’eau contenue dans l’air ou dans un matériau. L’humidité résiduelle RH est la perte de poids après séchage à 103 C° exprimée par rapport au séchage à 40 C° selon le mode suivant :

m0: masse d’échantillon (en gramme) à 40C°. 

m1: masse d’échantillon après séchage à 103 C°.

• La Demande Biologique en Oxygène (DBO5 ) 

Expression des résultats : 

Valeur lue sur la tête OxiTop × facteur = β(DBO5 ) en mg·dm-3 

• La Demande Chimique en Oxygène (DCO) 

Consiste à oxyder la matière organique ou minérale contenue dans l’eau par un excès de dichromate de potassium, en milieu acide et en présence de sulfate d’argent et de sulfate de mercure.

Expression des résultats : La demande chimique en oxygène exprimée en mg/l est: 

DCO = 8000 (V0 –V1) T/V 

V0: volume de sulfate de fer et d’ammonium nécessaire au dosage (ml). 

V1: volume de sulfate de fer et d’ammonium nécessaire à l’essai à blanc (ml). 

T: titre de la solution de sulfate de fer et d’ammonium. 

V: volume de la prise d’essai.

• Le Rapport DBO5 / DCO 

Le rapport DBO5 /DCO varie de 0.01 à 0.7. Ce rapport a une importance déterminante pour la définition de la chaîne d’épuration d’un effluent. En effet, une valeur importante du rapport DBO5 /DCO implique la présence d’une grande proportion de matières biodégradables et permet d’envisager un traitement biologique. Inversement, une valeur faible de ce rapport indique qu’une grande partie de la matière organique n’est pas biodégradable et, dans ce cas, il est préférable d’envisager un traitement physico-chimique. Pour une eau domestique non traitée, le rapport DBO5 /DCO est de 0.7 et pour un effluent de décantation secondaire, il varie de 0.4 à 0.8 [9]. 

• La matière volatile (MV) 

La matière volatile est mesurée par perte de poids de l’échantillon après calcination pendant 2 heures à 525°C, selon la norme NF EN 12879, mai 1997. Les taux de matière volatile obtenus sont équivalents aux teneurs en matière organique. Le principe est de mettre un creuset en porcelaine contenant l’échantillon dans un four à une température de 525°C pendant 2 heures. Après refroidissement dans un dessiccateur à température ambiante, l’échantillon est pesé 1 mg près. MV est la perte de poids après séchage à 525 C° exprimée par rapport au séchage à 105°C selon la relation suivante:

Y: masse des matières totales dans la prise d’essai à 105°C; 

Y’ : masse de la fraction minérale des matières totales dans la prise d’essai à 525°C; 

Y-Y’: masse de la fraction organique des matières totales dans la prise d’essai [8].

RÉSULTATS ET INTERPRÉTATIONS

 Interprétations 

• L’analyse du pH de la boue montre que celle-ci est neutre. 

• Le taux élevé en matière organique montre que la boue est riche en matière organique cette teneur élevée est due à sa nature: il s’agit d’une boue activée. 

• Le résultat de l’analyse de la boue par conductivité montre que la boue est riche en sels dissous. • La valeur de DBO5 obtenue montre que la boue n’aura pas d’impacts négatifs sur le milieu récepteur puisque cette valeur est totalement inférieure aux valeurs limites fixées par les normes Marocaines «120 mgO2 /l». 

• Les valeurs de DCO ainsi DBO5 de la boue comme suivant; DCO: 1080mg/l, DBO5 : 500mg/l. On remarque que la valeur enregistrée de la DCO est largement supérieure à la valeur fixée par la loi marocaine (la valeur limite: 250mg d’O2 /l), On peut connaitre par conséquent la charge en matières organiques peu ou pas biodégradables : DCODBO5 =1080-500 = 580 mg d’O2 /l. On peut déterminer la teneur en matière oxydable à partir des valeurs de DCO et DBO5 obtenues suivant la relation ci-dessous : MO = (2DBO5 + DCO) / 3 

• Le faible rapport DBO5 /DCO indique qu’une grande partie de la matière organique n’est pas biodégradable et, dans ce cas, il est préférable d’envisager un traitement physico-chimique. 

• Le taux d’humidité et du taux de la matière sèche montrent que la boue est riche en eau. La perte de masse observée lors du séchage à 103 °C ne correspond pas uniquement à la perte d’eau intramoléculaire, elle peut également correspondre à l’évaporation de la matière organique volatile susceptible d’intervenir à partir de 60 °C. En général, l’humidité résiduelle est directement proportionnelle au taux d’argile et au taux de matières organiques. 

• Le taux de la MVS (40.25%) montre que l’échantillon contient 59.75% de l’eau. 

CONCLUSION 

Les résultats obtenus à l’issue de l’étude, montrent que les boues résiduaires issues de la station d’épuration des eaux usées de Boukhalef, présentent des qualités et des caractéristiques permettant de la valoriser. 

• Ces boues peuvent être utilisées dans l’épandage agricole à condition qu’elles ne présentent pas de pollution métallique. 

• La forte teneur en matière organique de la boue permettra la production de biogaz si la boue subit une méthanisation.