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« Chercheurs d’eau »
Ou le traitement des eaux usées et des boues d’épuration
Institut St Joseph d’Etterbeek
5ème Technique Qualification ChimieRue Félix Hap, 14B1040 Etterbeek
Tél.: 02-735.81.10Fax: 02-732.56.27
Printemps des sciences, ULBdu 31 mars au 6 avril 2003
Sommaire Eaux usées :
Origines & composition Traitement
• Mécanique• Biologique• Chimique
Boues d’épuration : Composition
• Fraction organique• Fraction minérale
Problématiques Traitements
• Oxydation par voie humide (OVH)• Incinération
Origines & composition
Protéines Sucres Graisses (produits d’entretien, urines, selles)
Organique : Pollution domestique
Composés azotés Composés phosphorés
Nutriments et engrais : Pollution agricole
Cuivre, Zinc, Plomb (corrosion des conduites) Autres : Hg, Ni, Cd, Cr, etc.
Métaux lourds : Pollution industrielle
Traitement des eaux usées
Prédégrillage
Dessablage
Déshuilage
Décantation [1]
Traitement mécanique :
But : Eliminer les gros déchets
But : Décantation du sable et des particules lourdes
But : Récupération des huiles, graisses et hydrocarbures
But : Sédimentation [2] des particules solides (2h)
Elimination d’environ un tiers des substances contenues dans les eaux usées après les traitements mécaniques
Echantillon A : eau après prédégrillage
Traitement des eaux uséesTraitement biologique :
Phase aérobie [3]
Utilisation des boues activées et apport d’oxygène pour la minéralisation des composés organiques (80% à 90%).(1) Substances organiques + O2 CO2 + PO4
3- + SO42- + NO3
-
Nitrification par bactéries (nitrosomas, nitrobacter)des ions ammonium (NH4
+) issus de la décomposition des protéines.(2) NH4
+ NO2- NO3
-
Boue activée
Boue issue des eaux usées mélangée avec les boues des fosses septiques contenant les bactéries actives.
Traitement des eaux uséesTraitement biologique :
Phase anaérobie [4]
Dénitrification des ions nitrates (NO3-) par bactéries
anaérobiques (pseudomonas) qui puisent l’oxygène dans lesdits ions et rejettent de l’azote gazeux.(3) NO3
- NO2- N2
60% à 90% de NOx- sont dénitrifiés.
Les nitrates sont des fertilisants,mais ils contribuent à l’eutrophisation [5] des rivières.
Traitement des eaux uséesTraitement biologique
Tra
item
en
t ch
imiq
ue
Tra
item
en
t m
écan
iqu
e
Boues activées
Phaseaérobie
Phaseanaérobie
(1) Minéralisation
Oxygénation
(2) (3)
Nitrification Dénitrification
Echantillon B : eau issue du bassin de traitement biologique
Traitement des eaux uséesPhase anaérobiePhase aérobie
NH4+
NO3-
NO2-
N2
NO3-
NO2-
Nitrosomonas
Nitrobacter
Pseudomonas
PseudomonasNit
rifi
cati
on
Dén
itri
ficati
on
(2) (3)
Traitement des eaux usées
Composés organiques (25 mg/L) Métaux lourds Nitrates (10 à 12 mg/L) Phosphates (3 à 5 mg/L) Agents potentiellement infectieux Médicaments, antibiotiques
Traitement biologique :Résidus après traitements
Echantillon C : eau en fin de traitement (qualité piscicole)
Traitement des eaux uséesTraitement chimique :
Elimination des phosphates résiduels
Les phosphates sont éliminés par additions de sels de fer III ou d’aluminium. Les phosphates de fer et d’aluminium sont très peu solubles dans l’eau, ils précipitent et sédimentent dans le fond du bassin.
Le traitement des phosphates est facultatif.
PO4(aq)3 AlCl3(aq) 3Cl(aq)
AlPO4(s)
PO4(aq)3 FeCl3(aq) 3Cl(aq)
FePO4(s)
Composition des bouesB
OU
E
Eau
95%Organiques
Minérales
Matières sèches
70%
30%
50%
50%
de
5%
à
Fraction organique
Protéines 30%
Graisses 13%
Matières fibreuses 33%
Hydrates de carbone non fibreux [6] 24%
Composition :
Composition élémentaire :
Carbone 53%
Hydrogène 7,7%
Oxygène 33,5%
Azote 5%
Soufre 0,8%
Fraction organique
Esters phtaliques 1 à 100 ppm
Hydrocarbures aromatiques polycycliques 0,01 à 50 ppm
Biphényles polychlorés (dioxines) 0,15 à 9 ppm
Pesticides (DDT, Lindane, Aldrin) 0,1 à 5 ppm
Contaminants organiques :
*ppm : partie par million en masse, soit 1 ppm = 0,0001% en masse
Fraction organiqueO
O
O
O
H
H
Ester phtalique :
Composé produit par l’estérificationde l’acide phtalique. Acide phtalique
Cl
Cl
Cl
ClClDDT :
Pesticide pouvant intervenir dansla formation d’une dioxine (PCB).
DDT
Biphényles polychlorés (PCB) :
Cl1-Chloro-naphthalène
Ex: molécule chlorée possédant deux noyaux benzéniques (phényls).
Fraction minérale
Silice : SiO2
Alumine : Al2O3
Chaux : CaCO3
Magnésie : MgCO3
Composition essentielle :
Contaminants toxiques :
Zn 500 ppm Ni* 30 ppm
Cu* 400 ppm Cd* 5 ppm
Fe 200 ppm Mo 4 ppm
Pb* 120 ppm As 3 ppm
B 50 ppm Hg* 2 ppm
Cr* 50 ppm Se 2 ppm
* Principaux métaux lourds
Problématiques des boues Haute teneur en eau
Nécessite un épaississement ou séchage des boues Haute teneur en matières minérales
Présence de métaux lourds Micro organismes
Agents potentiellement infectieux
Traitement des boues Oxydation par voie humide (OVH) Incinération/Co-incinération Epandage agricole ?* Enfouissement technique (CET) ?*
* Procédé non durable toujours toléré
Echantillon E : Boue destinée à l’agriculture
Echantillon D : Cendres issues de l’incinération
Oxydation par voie humide L’oxydation par voir humide (OVH):
Réaction en phase aqueuse entre la matière organique et l’oxygène dissous à température et pression élevées
Les boues ne doivent pas être séchées Une substance peut s’oxyder
Soit directement Soit par l’intermédiaire de radicaux.
Un composé organique peut donc Soit se minéraliser Soit se transformer en composés plus simples à oxyder
et se minéraliser ensuite. Réactions Solide/Liquide ou Liquide/Liquide.
Oxydation par voie humide Mécanismes radicalaires :
RH O2 R HO2
RH HO2 R H2O2
H2O2 2OH
RH OH R H2O
R O2 ROO
Intervention du groupement hydroxyle (OH•)
H2O2 génère des radicaux OH• en présence des espèces organiques :
Oxydation par voie humide Mécanismes radicalaires :
ROO RH ROOH R
ROOH R' CHO OH
R' CHO OH R' CHO H2O
Formation d’acide carboxylique :
Transformation en aldéhyde :
R' CHO OH CH2CHO CH2
Oxydation par voie humide Mécanismes électrochimiques :
Les hydrocarbures et les acides carboxyliques sont réduits directement en présence d’oxygène dissout :
Réactions couplées avec la réduction de l’oxygène dissout :
O2 4H 4e 2H2O
CnH2n2 2nH2O nCO2 (6n 2)H (6n 2)e
HCOOH CO2 2H 2e
Oxydation par voie humide
Oxydation en phase aqueuse par O2 dissous Utilise les Boues brutes Emissions gazeuses limitées Emissions liquides renvoyées en tête de station Résidu solide inerte (technosables)
Pression : 30 à 150 Bar
Température : 200 à 300°C
Temps : 1 heure
Oxydation par voie humide
OVH
T=235°C
p=30 Bar
t=1 heure
Boues
O2
m=1000kg
m=250Kg
Gaz
m=310kg
73% d’eau
Solide
m=190kg50% Matière sèche
Effluent liquides
m=750kg
Oxydation par voie humide
Matièresorganiques
Minéralisées en : CO, CO2, H2O
Transformées en : Acide acétique,Acides gras et alcools
80%
20%
Azote (N)
70%
30%
Solubilisé en ammoniaque :NH4OH
Sous forme gazeuse : N2
Oxydation par voie humide
Phosphore (P) Oxydé en phosphates : PO43-
Chlore (Cl) Transformé en chlorures : Cl-
ex.: HCl
Soufre (S) Oxydé en sulfates : SO42-
Incinération Combustion dans une flamme avec production
de cendres Nécessite un séchage préalable des boues. Les atomes de C, H, S, N se combinent à
l’oxygène à haute température (T>600°C). Le temps de réaction est de l’ordre de la
seconde.
(CaHbNcOdSe ) nO2 aCO2 b
2O2 cNOx eSO2
Equation générale de combustion :
Incinération Combustion en phase gazeuse Utilise les Boues séchées Emissions gazeuses élevées Cendres
Pression : 1 atm
Température : 850°C
Temps : 2 secondes
Incinération
Incinération
T=850°C
p=1 atm
t=2 s
Boues
Air
m=1000kg
V=1700 Nm3
Gaz
V=2750 Nm3
Fumées + polluants
Solide
m=70kgCendres
Nm3 : Mètre cube normal (en CNTP)
Comparaison : OVH/Incinération
OVH Incinération
Boues brutes Boues séchées
p 30 à 150 Bar 1 atm*
T 200 à 300°C 850°C
t 1 heure 2 secondes
Oxydation par O2 dissousen phase liquide
Production de gaz limitée Résidu solide inerte
Combustion en phase gazeuse
Production de gaz élevée Cendres
* Unité de pression archaïque : 1 atm = 1 Bar
Glossaire
Biologie : Qui ne peut se développer qu’en présence d’air.Processus aérobies, qui se déroulent en présence d’oxygène.Ant. : anaérobie
[3] aérobie adj.
[4] anaérobie adj.
Biologie Qui ne peut vivre au contact de l'air.Processus anaérobies, qui se déroulent en l'absence d'oxygène.Ant. : aérobie
[1] décantation n. f.
Chimie : Action de décanter : Laisser reposer un liquide pour le séparer des matières solides qu'il tenait en suspension.
Glossaire
1. Dépôt formé par la précipitation de substances en suspension dans un liquide. 2. Dépôt abandonné par les eaux, les glaces ou le vent.
[2] sédiment n. m.
Biologie , écologie : Accroissement anarchique de la quantité de sels nutritifs d'un milieu, particularité d'une eau stagnante polluée par les résidus d'engrais ou par les rejets d'eau chaude (centrales électriques, etc.), qui provoque le pullulement de certaines espèces vivantes, la carence en oxygène, la production de vase, et l’opacification de l'eau.
[5] eutrophisation n.f.
Sucre non polymère.Ex.: Glucose, saccharose (nom commun : sucre), fructose
[6] Hydrate de carbone non fibreux
Bibliographie Guide « L’eau à Bruxelles » :
Coordination Senne, groupe de travail d’Escaut sans Frontière en collaboration avec Brussels by Water, édité avec le soutien de la Région de Bruxelles-Capitale.
Documents: Station d’épuration de la vallée de la Dyle. Documents: Incinérateur de Basse-Wavre.
« Traitements des boues d’épuration : comparaison entre les procédés d’OVH et d’incinération » :C Gisèle Jung,André Fontana (ULB), Didier Cretenot et Merzah Belkhodja (Vivendi Water Systems),249, 2002, L’eau, l’industrie, les nuisances.
Bibliographie Internet Dictionnaire universel francophone en ligne :
www.francophonie. hachette-livre.fr Autres sources :
www.ademe.fr www.aquiris.be
Staff
Nicolas Beauvez Amal Bouamlat Nordine Boutayoust Cédric Bulembi Joël Jacquet Jean Landercy Christel Rodriguez Perez Sylvain Saintenoy Dodo Yaba-Ngale
Mme De Jong Mme Staelens
Professeurs :Elèves :
5ème Technique Qualification Chimie
Design by Degree
Institut St Joseph d’Etterbeek Rue Félix Hap, 14B1040 EtterbeekTél.: 02-735.81.10Fax: 02-732.56.27
Mme Jung (ULB)
Marraine :
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Design by Degree
NicolasAmalNordine
Cédric
Joël
JeanChristel
Sylvain
Dodo