Eaux industrielles : traiter les rejets à moindre coût

Traitement de surfaces, papeteries, tanneries, industries agro-alimentaires et textile, chimie… de nombreuses usines rejettent une importante quantité de matières polluantes nécessitant, pour se mettre en conformité avec la réglementation sur les rejets, la mise en œuvre d'une station d’épuration de très grande capacité de traitement, complétée, dans certains cas, par un traitement spécifique pour venir à bout des effluents chargés de polluants difficilement oxydables. Ce type de traitement se révèle coûteux et compliqué et

Le rejet de sortie de filière contient encore trop souvent une concentration trop importante en DCO pour être rejeté directement au milieu naturel. Il ne reste plus alors, pour s’en débarrasser, que le pis-aller consistant à diluer le rejet dans une grande quantité d'eau pour le rendre conforme aux normes, ou encore à l'incinérer. Une solution qui ne peut pas donner satisfaction et qui peut surtout se révéler très coûteuse, notamment pour l'incinération où l'on paie souvent très cher pour éliminer de l'eau. Pour réduire ce coût, il est indispensable de concentrer l'effluent. Jusqu'à présent, les techniques membranaires ou l’évapo-concentration étaient fréquemment utilisées. Des entreprises les proposent depuis plus de dix ans pour réduire le volume d'eau présent dans ces polluants résiduels avant leur mise en décharge.

Évaporer pour concentrer

L'évaporation est utilisée pour séparer une solution liquide en deux parties, le concentrat et le distillat (ou condensat). Obtenu par évaporation puis condensation, le condensat est exempt de sels et de métaux lourds. Il peut être recyclé sans problème dans le process. Quant au concentrat, il réunit dans un très faible volume les polluants résiduels qui peuvent être incinérés ou recyclés suivant leur nature. Cette technique permet de répondre aux objectifs de rejets tout en réduisant les coûts de destruction. Plusieurs entreprises, telles Proserpol, Hytec Industrie, Agrochem, Industrie Environnement Systèmes ou Biome la proposent.

Du point de vue énergétique, l’évapo-concentration est une technique coûteuse en énergie puisqu'elle suppose un changement de phase liquide-vapeur de l'eau. Cette consommation énergétique peut être limitée en concevant une installation plus économe :

* en adoptant un fonctionnement sous vide (qui permet l'évaporation à une température inférieure) ;

* en concevant une installation avec plusieurs évaporateurs successifs (la consommation énergétique est réduite proportionnellement au nombre d’évaporateurs installés) ;

* en comprimant mécaniquement la vapeur (technique CMV) ;

* en installant une pompe à chaleur ;

* en comprimant partiellement les buées sur des éjecteurs (technique de la thermocompression).

Avec plus d'une vingtaine d'installations de traitement des effluents industriels complexes par évaporation-concentration sous vide, Corelec Environnement se positionne comme l'un des leaders sur ce type d’installations. La mise en œuvre des évaporateurs…

est généralement complétée par des process de pré-conditionnement (physico-chimique, électrocoagulation, résines échangeuses d’ions...), voire même de finition en fonction de la qualité d’eau souhaitée pour le recyclage ou le rejet des effluents traités. Cette approche globale du process optimise le rendement des évaporateurs (facteur de concentration + qualité des distillats) et garantit le meilleur coût d’exploitation (euro/tonne d'eau évaporée). Ceci s’observe plus particulièrement dans l'industrie du traitement de surface des métaux, là où les charges minérales sont très importantes. Corelec propose une gamme d’évaporateurs pouvant traiter de 0,15 à 60 m³/jour dans la technologie pompe à chaleur. Cette première gamme, qui permet d’atteindre des concentrations pouvant aller jusqu’à 300 g/l, est complétée par les sur-concentrateurs permettant d’atteindre le déchet ultime (extrait sec). La validation des projets est effectuée soit par un test en laboratoire, soit par un test pilote sur site.

L’évaporation sous vide est adoptée par H₂O qui commercialise cette technique sous la marque Vacudest depuis une quinzaine d’années. Dans ces équipements, le liquide à traiter est aspiré sous vide, puis traverse un récupérateur de chaleur, pour être pré-chauffé en dessous de sa température d’ébullition par le distillat qui s’y refroidit.

Arrivé dans l’évaporateur, le circuit est optimisé pour récupérer la chaleur. L’effluent se chauffe au contact par échange avec le condensat puis s’évapore. À ce stade, toutes les substances ou liquides présents dont la température d’ébullition est supérieure à celle du produit traité restent dans le concentrat. Ce dernier est vidangé automatiquement dès que la concentration souhaitée est obtenue. La pompe à vide aspire les vapeurs au travers du séparateur, les comprime à la pression atmosphérique puis les pousse dans le condenseur où les vapeurs se condensent en libérant leur énergie pour réchauffer le produit en entrée. L'eau polluée est ainsi concentrée 40 fois, ce qui réduit considérablement la facture de mise en décharge. Toutes les eaux sont acceptées. Seule une eau polluée moussant beaucoup peut limiter le fonctionnement de l’installation et réduire sa capacité.

Pour diminuer encore l’énergie consommée, H₂O a développé une gamme d’évaporateurs basse température équipés d'une pompe à chaleur, la série Vacudest WPV.

Cette approche a également été retenue par Veolia Water STI et son système Evaled. Cet équipement est proposé en deux versions : R avec racleur et E avec échangeur externe. Tous deux sont équipés d'une pompe à chaleur. Ils évaporent de 5 à 4 000 l/heure. De l’extrait résiduel concentré au produit sec, il n’y a qu’un pas, franchi par Veolia Water STI et son système RW2000. Cet évapo-concentrateur sous vide travaille alors par cycle à la fin duquel le concentrat doit être déchargé. Ce procédé, capable de traiter de 2 000 à 8 000 litres/jour, s’applique aux effluents déjà concentrés en amont. Il répond aux besoins des industries de traitement de surface, galvanoplastie, imprimerie, chimie, pharmacie...

Pour pousser plus loin l’évapo-concentration et réduire les coûts, Evatex propose, avec le procédé ECCF (Evapo-concentration à condensation fractionnée), une solution permettant de valoriser les produits.

contenus dans les effluents au lieu de les dégrader.

Une solution pour valoriser les sous-produits

Développé avec l'INRA de Gruissant, ce procédé breveté (dont Evatex a repris les droits en 2003) fonctionne très bien sur les effluents issus de l'agro-alimentaire et contenant une DCO sous forme de sucre. Il s'agit d'un procédé bio-physique à plusieurs étapes. Au cours d'une étape préliminaire, l'effluent est mis en contact avec des levures appropriées favorisant une fermentation alcoolique pour convertir le sucre en alcool. Celle-ci est suivie d'une double étape d’évaporation à condensation fractionnée permettant de séparer la fraction alcoolique (le flegme obtenu contient 40 ou 50 % d’éthanol et peut être vendu ou mieux, utilisé comme combustible pour rendre partiellement ou totalement autonome le traitement en énergie) de l'effluent fermenté. Cette étape est elle-même suivie d'une évapo-concentration à compression mécanique de vapeur permettant de réduire les sous-produits résiduels en une fraction concentrée de 25 % à 50 % de matières sèches. On obtient ainsi un condensat limpide recyclable ou rejetable au milieu naturel.

Pour pousser plus loin le traitement, Evatex y ajoute une technique membranaire, brevetée par l’entreprise. Elle est aujourd'hui installée chez UTTI à Tourcoing, où elle traite la totalité des effluents qui sont ensuite recyclés. Cette installation retourne directement en teinturerie 10 à 30 % des effluents peu chargés. Les résidus salés sont traités par nanofiltration, après quoi la saumure épurée est reconcentrée par évaporation et recyclée en teinture. Le reste est traité par évapo-concentration. L’utilisation de la compression mécanique de vapeur permet de conserver un coût énergétique très bas, soit 15 kW/m³ traité pour l’électricité. À noter toutefois le recyclage du sel qui permet de minimiser la quantité et le coût de traitement des déchets finaux qui se résume dans ce cas en une boue concentrée à 50 % de matières sèches.

Neutralisation des effluents : TMI propose des stations clés en mains Après traitement d’eaux, une mise à pH reste nécessaire, surtout après des traitements lourds tels que la déchromatation par exemple. TMI a mis au point et propose des stations clef en main pour effectuer ces neutralisations. Le principe consiste en une cuve adaptée aux volumes de débits à traiter, en standard 1 m³. Pour des traitements plus importants, des volumes de 2, 3, 4 et 5 m³ sont disponibles. L'effluent à neutraliser, qu'il soit acide ou basique, est amené jusqu’à la cuve de traitement. Cette unité très compacte incorpore tous les matériels nécessaires au bon fonctionnement d'une neutralisation : cuve de traitement, agitateur adapté, sonde de mesure de pH, armoire automatique de commande, pompe de dosage des réactifs, aussi bien acide que soude ou autres. Le traitement s'effectue en bachées, permettant ainsi d'avoir des résultats satisfaisants. Une fois la bachée terminée, une électrovanne libère l'effluent traité. Une prise d'échantillon est aussi programmée afin d’assurer la traçabilité. 90 % d’eau et qu’ils sont trop chargés en DCO ou qu'ils contiennent des éléments toxiques, le traitement biologique ne suffit pas pour mettre l’effluent en conformité, il faut diluer ou incinérer. Une autre voie s'offre aujourd’hui aux industriels avec le procédé d’oxydation hydrothermale, une technique acquise en exclusivité par l'exploitation d’un brevet déposé par le CNRS. « Nous traitons les effluents dont la DCO est comprise entre 50 et 150 g/l, mais c'est tout à fait indicatif », souligne Nathalie Bonnaudin, ingénieur d'affaires chez Hydrothermale Oxydation Option, « car nous pouvons réduire ou augmenter la concentration pour adapter l'effluent au traitement ». Ici, le liquide à traiter est pompé à 250 bar puis préchauffé à 250 °C. Il est ensuite déversé dans le réacteur où il est oxydé après un mélange avec de l'oxygène. Cette réaction étant exothermique, la température du liquide monte à 550 °C. En sortie de réacteur, le fluide à haute température sert au préchauffage de l’étage d'entrée. Il peut aussi produire de l’énergie. La vapeur est ensuite détendue. Une autre solution consiste à s’attaquer aux molécules en les mettant en présence d’un puissant oxydant. Forcer l’oxydation Présenté par le Suisse Bertrans et Proserpol aux dernières JIE de Poitiers, le procédé Loprox s'applique aux effluents industriels, quand la station du site a un talon dur résiduel. Installé en Allemagne chez DSM, un fabricant de vitamines B1 et B6, il traite les 100 m³/j d’effluents de fabrication chargés d'une DCO de 15 g/l et d’un taux d’AOX de 1000 mg/l. Ce procédé permet de réduire en sortie la DCO de 50 % et les AOX de 95 %. Pour ceci, il s’agit de maintenir pendant deux à trois heures, dans un réacteur, l'effluent en présence d'une forte dose d'oxygène et de maintenir le tout à 200 °C et 20 bar. Dans certains cas, l'ajout d’un catalyseur peut être nécessaire. Mis au point pour les industries chimiques, pharmaceutiques et pétrochimiques, Loprox améliore la biodégradabilité des toxiques en transformant

Ternois traite le talon dur de DCO en combinant les étapes de traitement

Les ingénieurs de Ternois ont montré, avec plus de trente ans de suivi analytique sur leurs stations d’épuration, que l’abattement de la DCO dite « dure » pour un effluent industriel donné est favorisé en diversifiant, sur une même station d’épuration, les formes de traitement biologique.

Ainsi, certains effluents industriels, traités par un procédé réputé très « rustique » comme les boues activées de type « aération prolongée », n’arrivent pas à atteindre des valeurs en DCO inférieures à 300 mg/l.

Les mêmes effluents, prétraités avec un étage de méthanisation en amont des boues activées, atteignent immédiatement des DCO inférieures à 50 mg/l. De plus, ces procédés dits « à double étage biologique » ont un grand nombre d’avantages dont les principaux sont :

1. Contrairement à certains procédés dits « innovants », il n’y a pas de nécessité d’ajouter des enzymes, des champignons ou des bactéries dans les effluents à traiter. Donc, pas de plus-value sur les investissements, pas de surcoût d’exploitation, pas de contrainte supplémentaire d’approvisionnement d’un nouvel adjuvant dans la station. À noter à ce sujet que ces procédés par « bio-additifs » ne sont pas si innovants car ils ont déjà fait l’objet de nombreux brevets internationaux sur le marché depuis plus de dix ans, dont certains ont été déposés par Ternois.

2. La production de boues est diminuée d’un facteur 5 en moyenne grâce à la présence d’un étage de méthanisation.

3. Le procédé est compact et occupe une surface très faible. Ce qui correspond souvent à la problématique de très nombreux industriels qui préfèrent privilégier l’extension de leurs bâtiments de production sur les surfaces de construction dont ils disposent. Les procédés de type « jardins filtrants » sont au contraire extensifs et ont pour principaux inconvénients d’occuper des surfaces importantes.

Les composés organiques sont transformés en molécules facilement biodégradables. Les molécules organiques azotées, phosphatées ou sulfatées ainsi que l’acide acétique peuvent être traitées. Il en est de même de la couleur de l’effluent (dans les industries textiles par exemple).

Actibio, spécialiste du traitement et recyclage des rejets industriels, met en œuvre l’oxydation par le procédé de Fenton en complément des procédés biologiques et physico-chimiques classiques pour la réduction de la DCO dure. La réaction de Fenton est une oxydation mettant en œuvre de l’eau oxygénée en présence d’un catalyseur comme le sulfate ferreux. La production de radicaux hydroxyles (OH•) permet de dégrader la DCO dure provenant de nombreux composés organiques non biodégradables que l’on retrouve dans les rejets industriels. Cette technique peut être utilisée en finition de traitement biologique ou physico-chimique, mais elle présente aussi dans certains cas un intérêt en pré-traitement avant une épuration biologique car l’oxydation des matières organiques permet de les rendre plus facilement biodégradables. Dans ce cas, l’association du procédé de Fenton avec un traitement biologique permet d’avoir un traitement complet de la DCO à un coût réduit.

Le procédé d’oxydation catalytique de Technavox est issu d’un brevet du CNRS exploité en exclusivité par l’entreprise. Il a été mis au point par un laboratoire mixte de l’université de Poitiers et du CNRS. Il consiste en une oxydation catalytique à l’aide d’ozone et d’un catalyseur en poudre mélangé à l’effluent puis laissé en contact pendant un temps déterminé. « Notre travail consiste à adapter et à régler le procédé en fonction de l’effluent », assure le Docteur Florence Pontlevoy, présidente de Technavox, « notre technique permet d’oxyder des produits non oxydables en utilisant de l’ozone seul. Grâce au catalyseur, nous pouvons nous attaquer à la DCO non biodégradable et ainsi traiter les effluents de nombreux secteurs de l’industrie tels que la chimie, le traitement de surfaces ou l’agro-alimentaire. Seuls éléments résistants au traitement : les métaux, les sels et les matières en suspension non organiques. » L’utilisation du catalyseur permet de réduire de moitié la consommation d’ozone, entraînant une diminution de la taille de l’ozoneur. Compacité et modularité sont les deux atouts du procédé qui s’adapte en fonction des variabilités de l’effluent. Créée en mai 2004, cette jeune entreprise commence à installer ses premiers équipements dans l’industrie.

Le procédé DiaCell, développé par le CSEM, est un procédé électrolytique aux électrodes en diamant dopé bore. C’est un procédé innovant évitant tout produit chimique et générant des radicaux OH•, permettant un abattement optimal de toute pollution DCO en l’oxydant jusqu’au CO₂. La combinaison avec l’évaporation, le DiaCell, situé soit en amont soit en aval sur les condensats contenant souvent encore trop de DCO due à des entraînements ou à des COV, permet un abattement de la DCO sans produits secondaires.

Et pourquoi pas l’hydrolyse ?

Pour réduire la DCO difficilement biodégradable, l’allemand Aquabiotec a lui aussi…

Développé un procédé d’oxydation avancée basée sur l’utilisation d’électrodes en diamant synthétique. Grâce à l’électrolyse de l’eau, des oxydants puissants, les radicaux OH, se forment dans la solution. Ils se combinent alors aux éléments dissous dans l’effluent, transformant les matériaux organiques en matières inorganiques comme l’eau (H₂O), le dioxyde de carbone (CO₂) ou des chlorures. Il a déjà été installé sur des effluents de l’industrie chimique et du textile où il assure dans ce cas la décoloration. Onectra (Groupe Onet) a également retenu des solutions de “Chimie verte”, c’est-à-dire de minéralisation de la matière organique sans production de boues avec peu ou pas d’ajout de consommables.

Un de ces procédés est l’Electronet DDB. La surtension appliquée aux électrodes spécifiques produit des radicaux libres. Ces oxydants puissants oxydent la DCO dure, entraînant l’épuration des effluents industriels. Ainsi, le taux d’efficacité annoncé du traitement est de 99 % d’abattement de la DCO pour une charge maximale de 80 g/l de DCO. Ce procédé a déjà fait ses preuves dans l’industrie du papier, où il abaisse la DCO de 4 000 mg/l en entrée à moins de 1 mg/l, dans l’industrie du nettoyage où la DCO passe de 1 700 mg/l à moins de 1 mg/l, ou dans celle du traitement des huiles mécaniques où ce paramètre passe de 2 600 mg/l à 350 mg/l en fin de filière.

Pour pouvoir répondre à une demande hétérogène, toujours dans un objectif de minéralisation de la DCO, Onectra propose également d’autres procédés de “Chimie verte”, types Oxydation par Voie Humide (OVH) ou procédés membranaires.

De plus en plus souvent, les entreprises s’engagent sur le résultat.

Les entreprises de dépollution s’engagent sur le résultat

« Le procédé Ecocleansol est un procédé physico-chimique destiné au traitement de tout type de rejets industriels », explique Patrice Stengel, Directeur Technique chez Ecological Cleaning Solutions. Avec moins de 1 % du volume total, ce procédé est peu producteur de boues. Les réactifs chimiques sont introduits directement dans l’effluent et produisent une précipitation des polluants par l’ajout d’une très petite quantité de produit. La partie solide est séparée de la partie liquide en traversant une batterie de filtres poche. Le liquide est ensuite affiné en silo de finition sur un média dont la composition est gardée secrète. Nous n’en saurons donc pas plus sur ce procédé dont le brevet a été déposé mi-2004 et qui fournit en sortie un rejet contenant moins de 150 mg/l pour un effluent de départ ayant une DCO comprise entre 10 et 20 g/l. « Notre réactif est universel, il s’adapte à tout type d’effluents. Nous ajustons le traitement en fonction d’analyses réalisées en amont et en aval du traitement », explique Patrice Stengel. « Déjà, quelques parfumeurs nous ont fait confiance ». L’entreprise, qui a développé une unité mobile, ne vend pas la technique mais elle commercialise ses services auprès d’entreprises vis-à-vis desquelles elle s’engage sur le résultat.

Pour ceux qui ont l’avantage de disposer d’un foncier important, les techniques alternatives peuvent se révéler une solution économique. C’est le cas des jardins filtrants qui offrent, dans certains cas, une solution performante au traitement des effluents industriels.

Les jardins filtrants simples et performants

Contrairement aux solutions physico-chimiques classiques trop souvent conçues en fonction d’un état instantané des normes, Phytorestore est capable de traiter de façon durable et complète la plupart des polluants qu’ils soient inorganiques (métaux lourds,

Traitement des lixiviats

Nucleos propose une solution par évaporation naturelle accélérée

La solution proposée par la société Nucleos, simple, efficace et rustique, est basée sur l'utilisation d'une surface d'échange en polyéthylène haute densité sous forme de panneaux. La qualité des matériaux utilisés apporte une solution durable au traitement des lixiviats. Le lixiviat est stocké dans un bassin étanche. Une pompe permet l'aspersion du lixiviat sur le panneau, où il s'évapore en partie. L’excédent non évaporé retourne au bassin, où il sera à nouveau projeté sur le panneau jusqu'à évaporation totale de la partie liquide. Un ventilateur placé au centre de la chambre d'évaporation améliore les performances évaporatoires du module. Le schéma ci-dessous montre le fonctionnement d'un module tel qu'il sera installé sur un site, ainsi qu'une vue de profil et une perspective. Les effluents bruts sont stockés dans un bassin (I), équipé de pompes. Les lixiviats sont alors envoyés dans un réservoir « à lots » étanche (II) dont la capacité varie avec le volume d'effluents à traiter et la météorologie locale. L'effluent est alors projeté dans la partie supérieure du module d'évaporation DH 08 (III), sur la maille (IV) où il s'évapore en partie. L’excédent, non évaporé, retourne au réservoir à lots (II). Le lixiviat est à nouveau projeté sur la surface d'échange jusqu'à évaporation totale. Un réservoir de 2 m³ (V), contenant un bactéricide et muni d'une pompe, est utilisé pour le nettoyage automatisé de la maille du module. L'intérêt du procédé est qu'il accepte les variations physico-chimiques du lixiviat. Il n'est pas nécessaire de procéder à des analyses de l'effluent car il n'y a pas de rejet liquide dans le milieu : il n'est donc pas nécessaire d'aménager des points de rejet. De plus, aucune adaptation du réseau existant n'est à prévoir. Seul l'équipement de turbines lentes dans le bassin de stockage est nécessaire. Cette solution, simple et peu onéreuse, permet un pré-traitement du lixiviat en abaissant la DBO et la DCO. Elle permet également de réduire significativement les odeurs que le bassin peut générer.

(radionucléides, métalloïdes...) ou organiques (hydrocarbures, BTEX, PCB, solvants, organochlorés organiques fermentescibles...).

Pour assurer ce traitement, il construit un jardin filtrant, c’est-à-dire une zone humide artificielle. Celle-ci se compose des différentes parties de l’écosystème, c’est-à-dire de végétaux supérieurs (roseaux, saules, aulnes...), des micro-organismes (bactéries, microfaune...) et des substrats (sable, matière alluvionnaire, pouzzolane, tourbe...). Ainsi composé, le jardin filtrant peut traiter les eaux usées brutes, ou de finition par phytodégradation des charges organiques (MES, DCO, DBO) et phyto-accumulation de l'azote et du phosphore. Il assure également la désinfection par destruction des bactéries et des virus. En fin de cycle, l'infiltration puis l'évapo-concentration peuvent être réalisés pour assurer le zéro rejet. ERE, Entreprise Rhodanienne d'Électromécanique, propose également un procédé d’épuration par filtre à roseaux capable de traiter plusieurs types d'effluents.