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POST TRAITEMENT D’EFFLUENTS INDUSTRIELS TRÈS CONCENTRÉS SUITE AU PROCÉDÉ DE CHI

POST TRAITEMENT D’EFFLUENTS INDUSTRIELS TRÈS CONCENTRÉS SUITE AU PROCÉDÉ DE CHIMIE VERTE D’OXYDATION EN VOIE HUMIDE Par Kathy Archambault Essai présenté au Centre universitaire de formation en environnement et développement durable en vue de l’obtention du grade de maître en environnement (M. Env.) Sous la direction de Marc-J. Olivier MAÎTRISE EN ENVIRONNEMENT UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE Septembre 2018 i SOMMAIRE Mots-clés : oxydation en voie humide (OVH), effluents industriels très concentrés, centre de transfert technologique en écologie industrielle (CTTÉI), traitement biologique, traitement électrochimique, chimie verte, analyse multicritère Cet essai vise à effectuer une revue de la littérature afin d’identifier et comparer des procédés possibles de post traitement à l’oxydation en voie humide, puis d’analyser les forces et les limitations de chacun afin d’émettre des recommandations pour divers contextes d’application. La gestion des effluents industriels occupe une place importante au Québec dans une perspective de développement durable. Actuellement, des rejets industriels très concentrés sont envoyés à l’extérieur de la province afin d’être incinérés là où la réglementation le permet. Le Centre de transfert technologique en écologie industrielle travaille présentement au développement d’un procédé de chimie verte, soit l’oxydation en voie humide, qui nécessite toutefois l’association à un post traitement afin de permettre le rejet d’effluents conformes aux normes en vigueur au Québec. Dans ce travail, la problématique et les recherches concernant l’oxydation en voie humide sont exposées, puis six procédés électrochimiques, biologiques et de chimie verte sont présentés. Une analyse multicritère basée sur l’évaluation de douze critères touchant les sphères environnementale, économique, sociale et technique permet de comparer les méthodes de traitement et de mettre en lumière leur applicabilité pour le cas à l’étude. Cette analyse montre ainsi que les réacteurs à biofilm sont les plus appropriés dans le contexte, suivis du traitement par boues activées, de l’électrooxydation puis des procédés bioélectrochimiques. Les méthodes d’électrocoagulation et les procédés électrochimiques par membrane terminent en queue de peloton en se basant sur les critères étudiés. Des recommandations ont été émises pour les diverses parties prenantes en jeu. Ainsi, afin de favoriser la mise en place d’un tel procédé pour la gestion des effluents industriels, il sera important que le milieu scientifique, incluant le Centre de transfert technologique en écologie industrielle, poursuive la réalisation d’études de faisabilité en contexte québécois pour l’ensemble du traitement et plus particulièrement en ce qui concerne le couplage des procédés d’oxydation en voie humide et de réacteurs à biofilm. Il doit aussi assurer une communication bilatérale efficace avec les industries. De leur côté, les acteurs du milieu industriel doivent favoriser ce transfert de connaissances avec le milieu scientifique, tout en priorisant l’utilisation de méthodes de gestion ayant des impacts environnementaux moins néfastes. Enfin, les recommandations concernant les municipalités et les gouvernements cernent principalement le maintien ou le renforcement des normes pour les rejets d’effluents ainsi qu’un encadrement régulatoire quant à l’exportation et à l’élimination de rejets à l’extérieur de la province. De cette façon, les recommandations permettent l’implantation du procédé d’oxydation en voie humide et de son post traitement dans le milieu industriel afin de limiter les impacts négatifs sur l’environnement. ii REMERCIEMENTS D’abord, merci à mon directeur d’essai, M. Marc Olivier, pour son souci du détail et sa disponibilité. Ses conseils, ses commentaires constructifs et son support tout au long du processus m’ont permis de constamment peaufiner le travail. Un remerciement également à M. Pedro Ramirez et à M. Jean-François Vermette du Centre de transfert technologique en écologie industrielle pour leur confiance et leur ouverture au cours du projet. J’aimerais aussi remercier tous les membres de ma famille, qui m’ont permis, chacun à leur façon, de trouver la motivation nécessaire tout au long de mes études. Enfin, merci à mes amis rencontrés pendant ce parcours scolaire, sans qui ces dernières années n’auraient pas été aussi agréables! iii TABLE DES MATIÈRES INTRODUCTION ........................................................................................................................................... 1 1. MISE EN CONTEXTE DE LA PROBLÉMATIQUE ................................................................................ 4 1.1. Situation actuelle ........................................................................................................................... 4 1.2. Encadrement règlementaire des rejets d’effluents ........................................................................ 5 1.3. État de la recherche au Québec concernant l’OVH ...................................................................... 7 2. TRAITEMENT DES EFFLUENTS PAR L’OVH ...................................................................................... 8 2.1. Description de l’OVH ..................................................................................................................... 8 2.1.1. Procédé ................................................................................................................................. 8 2.1.2. Cinétique .............................................................................................................................. 10 2.2. Propriétés des effluents suite à l’OVH ......................................................................................... 10 2.3. Impacts du post traitement des effluents ..................................................................................... 11 2.3.1. Impacts environnementaux de l’OVH et du post traitement des effluents .......................... 12 2.3.2. Impacts sociaux de l’OVH et du post traitement des effluents ............................................ 12 2.3.3. Impacts économiques de l’OVH et du post traitement des effluents................................... 13 3. REVUE DE PROCÉDÉS ÉLECTROCHIMIQUES DE POST TRAITEMENT ...................................... 14 3.1. Procédés d’électrooxydation ....................................................................................................... 14 3.1.1. Description ........................................................................................................................... 14 3.1.2. Conditions et limites d’opération.......................................................................................... 15 3.1.3. Forces et faiblesses de la technologie ................................................................................ 15 3.2. Électrocoagulation ....................................................................................................................... 16 3.2.1. Description ........................................................................................................................... 16 3.2.2. Conditions et limites d’opération.......................................................................................... 18 3.2.3. Forces et faiblesses de la technologie ................................................................................ 20 3.3. Procédés électrochimiques par membrane ................................................................................. 22 3.3.1. Description ........................................................................................................................... 22 3.3.2. Conditions et limites d’opération.......................................................................................... 25 3.3.3. Forces et faiblesses de la technologie ................................................................................ 26 4. REVUE DE PROCÉDÉS BIOLOGIQUES OU DE CHIMIE VERTE DE POST TRAITEMENT ........... 28 iv 4.1. Traitement par boues activées .................................................................................................... 28 4.1.1. Description ........................................................................................................................... 28 4.1.2. Conditions et limites d’opération.......................................................................................... 30 4.1.3. Forces et faiblesses de la technologie ................................................................................ 32 4.2. Réacteur à biofilm ........................................................................................................................ 34 4.2.1. Description ........................................................................................................................... 34 4.2.2. Conditions et limites d’opération.......................................................................................... 37 4.2.3. Forces et faiblesses de la technologie ................................................................................ 38 4.3. Procédés bioélectrochimiques ..................................................................................................... 40 4.3.1. Description ........................................................................................................................... 40 4.3.2. Conditions et limites d’opération.......................................................................................... 42 4.3.3. Forces et faiblesses de la technologie ................................................................................ 43 5. ANALYSE MULTICRITÈRE DES PROCÉDÉS DE POST TRAITEMENT .......................................... 45 5.1. Méthodologie ............................................................................................................................... 45 5.1.1. Fonctionnement de la grille d’analyse ................................................................................. 45 5.1.2. Établissement de la pondération ......................................................................................... 46 5.1.3. Établissement des critères et de leur pondération .............................................................. 46 5.2. Résultats de la grille d’analyse .................................................................................................... 50 5.3. Évaluation pour chaque technologie ........................................................................................... 53 5.3.1. Procédés d’électrooxydation ............................................................................................... 53 5.3.2. Électrocoagulation ............................................................................................................... 54 5.3.3. Procédés électrochimiques par membrane ......................................................................... 55 5.3.4. Traitement par boues activées ............................................................................................ 56 5.3.5. Réacteur à biofilm ................................................................................................................ 57 5.3.6. Procédés bioélectrochimiques ............................................................................................. 58 5.4. Interprétation de la grille d’analyse .............................................................................................. 60 6. RECOMMANDATIONS ........................................................................................................................ 62 6.1. Recommandations au CTTÉI et au milieu scientifique ............................................................... 62 6.2. Recommandations aux industriels .............................................................................................. 62 v 6.3. Recommandations aux municipalités et au gouvernement provincial ........................................ 63 CONCLUSION ............................................................................................................................................. 64 RÉFÉRENCES ............................................................................................................................................ 67 BIBLIOGRAPHIE ......................................................................................................................................... 73 ANNEXE 1 – SÉLECTION DES PROCÉDÉS ANALYSÉS ........................................................................ 74 vi LISTE DES FIGURES ET DES TABLEAUX Figure 1.1 Répartition des couts associés à la gestion de l'eau dans les industries manufacturières canadiennes ........................................................................................................................... 5 Figure 2.1 Déroulement global de l'oxydation en voie humide ................................................................ 8 Figure 2.2 Schéma général du procédé d'oxydation en voie humide ..................................................... 9 Figure 3.1 Procédés électrochimiques sélectionnés ............................................................................. 14 Figure 3.2 Schéma général d'une cellule d'électrocoagulation ............................................................. 18 Figure 3.3 Arrangements possibles des électrodes lors de l’électrocoagulation .................................. 19 Figure 3.4 Arrangement des membranes et des charges associées pour un retrait de Na+ et SO42- ... 24 Figure 3.5 Montage du procédé électrochimique par membrane à l’échelle pilote et à l’échelle industrielle ............................................................................................................................ 25 Figure 4.1 Procédés biologiques et de chimie verte sélectionnés ........................................................ 28 Figure 4.2 Schéma général d'un traitement par boues activées ........................................................... 30 Figure 4.3 Formats possibles de matrice pour les réacteurs à biofilm .................................................. 36 Figure 4.4 Principales conformations de réacteurs à biofilm ................................................................. 37 Figure 4.5 Schéma d’un traitement bioélectrochimique en représentation avec écoulements et en photo ..................................................................................................................................... 41 Figure 5.1 Résultats obtenus pour l'analyse multicritère ....................................................................... 60 Tableau 1.1 Contaminants et limites associées pour les rejets dans les égouts municipaux au Québec . 6 Tableau 2.1 Caractéristiques des effluents à traiter par le procédé de post traitement suite à l'OVH .... 11 Tableau 3.1 Types de mécanisme pour la récupération de polluants ..................................................... 17 Tableau 3.2 Forces et limitations de l'électrocoagulation......................................................................... 21 Tableau 3.3 Forces et limitations des procédés par membrane .............................................................. 27 Tableau 4.1 Forces et limitations du traitement par boues activées ........................................................ 34 Tableau 4.2 Forces et limitations des réacteurs à biofilm ........................................................................ 39 Tableau 4.3 Forces et limitations des procédés bioélectrochimiques ...................................................... 44 Tableau 5.1 Échelle de pointage pour l'évaluation des critères d'analyse ............................................... 46 Tableau 5.2 Échelle de pondération pour les critères d'analyse .............................................................. 46 Tableau 5.3 Critères sélectionnés pour l'analyse et leur pondération ..................................................... 47 Tableau 5.4 Grille d'analyse multicritère .................................................................................................. 52 vii LISTE DES ACRONYMES, SIGLES ET SYMBOLES AEM Membrane monopolaire échangeuse d’anions BA Boues activées BPM Membrane bipolaire CEM Membrane monopolaire échangeuse de cations CTTÉI Centre de transfert technologique en écologie industrielle DBO Demande biochimique en oxygène DCO Demande chimique en oxygène EC Électrocoagulation EIX Échange d’ions électrochimique (Electrochemical ion exchange) EM Électromembrane EO Électrooxydation MDDELCC Ministère du Développement durable, de l’Environnement et de la Lutte contre les changements climatiques MDR Matières dangereuses résiduelles MEC Microbial electrolysis cell MFC Microbial fuel cell OHT Oxydation hydrothermale (synonyme de l’OVH) OVH Oxydation en voie humide SPE Substance polymérique extracellulaire viii LEXIQUE Azote total Kjeldahl Teneur en composés non oxydés de l’azote (principalement azote organique ou azote ammoniacal) d’un échantillon, déterminée uploads/Industriel/ archambault-kathy-menv-2018.pdf