Valorisation des déchets solides naturels pour la filtration des effluents liquides industriels

INTRODUCTION 

Les effluents liquides industriels, représentent l’ensemble des rejets issus des différents procédés de transformation des matières premières en produits industriels. Leur quantité et leur qualité varient selon leur source, l’activité industrielle ainsi que le procédé mis en œuvre [1]. Ces rejets présentent un large spectre de polluants chimiques à l'état solide ou dissout: matières organiques et minérales, solvants, polymères, métaux lourds, hydrocarbures, huiles, graisses, sels, des polluants biologiques, bactéries, virus etc. [2,3]. Cette grande diversité requiert une approche spécifique pour chaque type d’effluents afin d’ajuster les solutions à chaque problématique. Les techniques de filtration des eaux usées sont multiples. 

La filtration percolation sur sable constitue un modèle très intéressant par la simplicité de sa mise en œuvre et par son coût faible d’exploitation ainsi que par ses performances en termes de rendement d’épuration [4]. 

Le présent travail vise à valoriser différents produits pour le traitement des eaux usées industrielles par filtration-percolation, et à déterminer l’efficacité d’autres supports naturels pour la réduction de la pollution. Ces produits naturels qui se trouvent en grande quantité dans la nature peuvent être valorisés et utilisés avec succès comme matériaux efficaces et à faible coût pour le filtration des eaux usées. 

Lors de ces essais au laboratoire, nous avons étudié différents paramètres physicochimiques à savoir le pH, la conductivité, les matières en suspension (MES), la demande chimique en oxygène (DCO), le phosphore total, les ions chlorures (Cl- ) les ions ammonium (NH4 + ).

MATÉRIEL ET MÉTHODES 

Les matériaux que nous avons utilisés comme adsorbants sont composés de produits naturels tels que le sable marin prélevé du littoral de la ville d’El Jadida au Maroc, le sol agricole très argileux, le kaolin, le phosphogypse, et les cendres volantes. Le kaolin est une argile blanche, friable et réfractaire, composée principalement de kaolinite, soit des silicates d’aluminium avec un peu de quartz libre et certains minéraux d’argile et de feldspath , ayant une surface spécifique importante et une grande capacité d’adsorption et de rétention de différents polluants organiques et minéraux [5-7]. 

Des travaux récents ont étudié la faisabilité de l’utilisation de différentes argiles minérales et synthétiques telles que la kaolinite et la montmorillonite et ont démontrés leur efficacité pour l’élimination des métaux lourds et différents polluants toxiques des eaux usées [8-10]. 

Le phosphogypse, appelé aussi sulfate de calcium hydraté, est un sous-produit issu de la production de l’acide phosphorique et de la fabrication des engrais phosphatés. Il s’agit d’un précipité solide de sulfate de calcium hydraté produit par réaction avec l’acide sulfurique en milieu aqueux. 

Le phosphogypse utilisé dans ce travail de recherche a été rapporté du complexe industriel de Jorf Lasfar. Il est constitué généralement de phosphogypse (CaSO4 , 2 H2 O), de différentes impuretés telles que les phosphates et les fluorites qui adhèrent à la surface des cristaux du phosphogypse ou peuvent les substituer dans la matrice [11-13]. 

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 minéraux dans l’air (NOx , SOx ) et dans l’eau par phénomène d’adsorption [14]. 

Les eaux usées industrielles étudiées proviennent du collecteur général situé à l’entrée de la station de prétraitement. Ces prélèvements sont stockés à 5°C à l’abri de la lumière pour éviter toute modification physico-chimique. Le dispositif expérimental que nous avons utilisé dans ce travail (figure 1), est composé d’une micro-colonne en verre de 2,5 cm de diamètre et de 50 cm de longueur.

RÉSULTATS ET DISCUSSIONS

Le tableau ci-dessous regroupe les résultats obtenus avant et après filtration des eaux usées sur colonne formée de différents supports naturels utilisés dans cette étude.

Le pH 

La détermination du pH constitue une mesure très importante car la valeur du pH conditionne un grand nombre de réactions biologiques et chimiques dans les eaux naturelles, donc toute modification du pH peut causer des déséquilibres physicochimiques des milieux récepteurs [20]. Les eaux usées industrielles étudiées ont un caractère acide avec des valeurs qui varient entre 5,4 et 5,5 degré pH. La filtration de ces rejets liquides à travers une colonne composée de différents supports naturels a permis leur neutralisation. 

Cette neutralisation peut être expliquée par le caractère basique des supports filtrants, c’est le cas du kaolin et de la chitine, qui est un polysaccharide fortement basique capable de complexer des polyanions, de chélater et éliminer les ions métalliques [21-24]. 

Une étude a démontré que la sorption des ions métalliques par les supports utilisés impliquerait un processus d’échange d’ions entre les métaux alcalins et alcalino-terreux des matrices filtrantes et les ions métalliques (Ni2+, Co2+, Zn2+), ainsi qu’un processus de complexation de surface entre les sites silanol (SiOH) et aluminol (AlOH) et les ions métalliques par échange de proton hydrogène, ce qui tend ainsi à élever un peu le pH de la solution [25].

 La conductivité électrique

Les effluents industriels étudiés présentent une très forte conductivité électrique qui traduit le degré de minéralisation globale [26], avec une valeur dépassant les 14 mS.cm-1. Cette conductivité très élevée est due aux sels dissous dans ces rejets. Le passage de ces eaux usées étudiées à travers les différents supports filtrants a permis la rétention des sels dissous dans l’eau par adsorption et/ou par phénomène de diffusion ionique dans les feuillets argileux constituant la colonne de filtration ce qui se traduit par une réduction de la conductivité [27].

Les matières en suspension (MES) 

Les matières en suspension regroupent l’ensemble des particules fines, insolubles, colloïdales, de nature organique ou minérale, biodégradables ou non [28,29]. Ces particules augmentent la turbidité des eaux, empêchent la pénétration de la lumière et réduisent le phénomène de photosynthèse, causant ainsi un appauvrissement en oxygène dissous au niveau des milieux récepteurs [30,31]. Les eaux usées industrielles étudiées sont chargées en matière en suspension, avec des valeurs dépassant les 400 mg par litre. Le passage des ces eaux usées à travers les différents filtres étudiés a permis une élimination quasi totale de ces matières en suspension (figure 4).

La demande chimique en oxygène (DCO)

La pollution organique représente l’ensemble des matières organiques biodégradables et non biodégradables, qui peuvent générer différents problèmes au niveau des milieux récepteurs : mauvaises odeurs, consommation d’oxygène, dégradation de la faune et la flore et perturbation des écosystèmes [32]. Il a été rapporté que différentes matrices argileuses telles que la kaolinite, la montmorillonite et l’illite possèdent des propriétés multifonctionnelles telles que la capacité de rétention et d’adsorption de différents polluants organiques, inorganiques et des métaux lourds [33-36] (figure 5). 

La majeure partie de la matière organique soluble et particulaire contenue dans les eaux usées industrielles étudiées a été retenue par les différents supports utilisés, avec un taux d’abattement dépassant les 85%. Cette réduction de la charge organique dissoute indique qu’une bonne assimilation bactérienne prend place dans le lit filtrant. Ceci est lié probablement à une meilleure oxygénation de ce dernier permettant aux bactéries aérobies de proliférer et d’assurer en conséquence une meilleure minéralisation ou oxydation de la matière organique. L’abattement et l’élimination de la DCO fait intervenir des phénomènes physiques de sédimentation et de filtration ainsi que des phénomènes biologiques de dégradation et de décomposition de la matière organique particulaire et dissoute associés à la flore bactérienne du lit filtrant.

Les ions Chlorure 

Les rejets industriels étudiés sont également trop chargés en ions chlorures avec des valeurs dépassant les 2400 mg par litre. L’élimination des anions chlorures (figure 6) peut être expliquée par la présence des cations contenus dans les différentes matrices filtrantes utilisées et qui piègent ces ions par adsorption ou par échange d’ions [37]. C’est le cas des cendres volantes et des argiles qui sont connues comme des matériaux naturels présentant une bonne capacité d’échanges d’ions et un pouvoir d’adsorption et d’élimination de plusieurs polluants de l’eau [38,39].

Les ions ammonium 

Habituellement la présence des ions ammonium dans l’eau traduit un processus de dégradation incomplet de la matière organique. Les eaux usées industrielles étudiées présentent une forte concentration en ions ammonium dépassant les 150 mg/L. En excès, ces ions peuvent avoir un impact sur la faune et la flore des milieux récepteurs [40- 42]. Après passage sur colonne composée de sable, cendres et différents matrices argileuse nous avons constaté un taux d’élimination des ions ammonium dépassant les 89%. Différentes argiles gonflantes telles que les smectites, la bentonite, la montmorillonite, la zéolite, l’illite et la kaolinite présentent une bonne capacité d’échange et de sorption des ions ammonium [43-45].

Les ions Orthophosphates 

Le phosphore est l’un des principaux éléments nutritifs qui provoquent l’eutrophisation, phénomène qui se traduit par une prolifération excessive des algues et des cyanobactéries toxiques dans les milieux aquatiques. Plusieurs formes de phosphore sont rencontrées dans les eaux usées, mais les orthophosphates sont les espèces de phosphore les plus abondants [46,47]. Les eaux usées industrielles étudiées présentent de fortes charges en orthophosphates dont les valeurs dépassent la norme marocaine d’un rejet avant déversement dans le milieu récepteur (10 mg/l en orthophosphates) [48]. 

Après filtration sur les différentes matrices argileuses nous avons noté un taux d’élimination dépassant les 75%. Ceci peut être expliqué par l’adsorption du phosphore sur les argiles utilisées ou sa précipitation avec le fer, le calcium ou l’aluminium, éléments constituants les feuilles des matrices argileuses composant le lit filtrant [49]. D’autres études ont suggéré que l’adsorption du phosphate peut être attribuée à la dissolution de la surface de la kaolinite, qui libère certains ions solubles, tels qu’Al3 + , qui forment un complexe avec le phosphore [50]. Le tableau ci-dessous résume les pourcentages d’élimination obtenus pour les paramètres physico-chimiques étudiés. 

CONCLUSION 

L’étude menée au laboratoire porte sur la dépollution des eaux usées industrielles par filtration sur colonne composée d’une couche de sable marin, sol agricole, cendres volantes, phosphogypse, et le kaolin. Les résultats obtenus nous ont permis de déduire, dans des conditions précises, que les supports étudiés présentent un pouvoir efficace pour réduire la charge polluante organique et minérale présente dans les eaux usées industrielles étudiées, avec un taux de réduction de la pollution moyen dépassant les 75% pour tous les paramètres physicochimiques analysés. En utilisant ce procédé de filtration, nous avons obtenu des eaux usées filtrées qui répondent aux limites normalisées pour les rejets liquides dans les milieux récepteurs (lacs, rivières, océans… etc.). Ces eaux filtrées peuvent être recyclées et utilisées en agriculture et pour l’irrigation des espaces verts.