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Gestion des eaux usées (Le traitement des eaux usées et des boues d’épuration)

Gestion des eaux usées (Le traitement des eaux usées et des boues d’épuration) Présenté par: Larbaoui Nihal Slama Houssam Eddine Sommaire • Eaux usées : – Origines & composition – Traitement • Mécanique • Biologique • Chimique • Boues d’épuration : – Composition • Fraction organique • Fraction minérale – Traitements • Oxydation par voie humide (OVH) • Incinération Eaux usées: 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 Traitement mécanique : But : Eliminer les gros déchets But : Décantation du sable et des particules lourdes But : Récupération des huiles, graisses et hydrocarbures But : Sédimentation des particules solides Traitement des eaux usées Traitement biologique : Phase aérobie Utilisation des boues activées et apport d’oxygène pour la minéralisation des composés organiques (80% à 90%). (1) Substances organiques + O2  CO2 + PO4 3- + SO4 2- + 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 usées Traitement biologique : Phase anaérobie 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 des rivières. Traitement des eaux usées Traitement biologique Traitement chimique Traitement mécanique Boues activées Phase aérobie Phase anaérobie (1) Minéralisation Oxygénation (2) (3) Nitrification Dénitrification Traitement des eaux usées Phase anaérobie Phase aérobie NH4 + NO3 - NO2 - N2 NO3 - NO2 - Nitrosomonas Nitrobacter Pseudomonas Pseudomonas Nitrification Dénitrification (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 Traitement des eaux usées Traitement 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 boues BOUE 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 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 organique O O O O H H Ester phtalique : Composé produit par l’estérification de l’acide phtalique. Acide phtalique Cl Cl Cl Cl Cl DDT : Pesticide pouvant intervenir dans la formation d’une dioxine (PCB). DDT Biphényles polychlorés (PCB) : Cl 1-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 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 HO 2 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 CH2 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 CnH2n2 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=190kg 50% Matière sèche Effluent liquides m=750kg Oxydation par voie humide Matières organiques 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 : PO4 3- Chlore (Cl) Transformé en chlorures : Cl- ex.: HCl Soufre (S) Oxydé en sulfates : SO4 2- 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 2 O2 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=70kg Cendres 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 dissous en phase liquide  Production de gaz limitée  Résidu solide inerte  Combustion en phase gazeuse  Production de gaz élevée  Cendres 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 uploads/Sante/ traitement-des-eaux-usees 1 .pdf