Élimination de la pollution des eaux usées industrielles locales par procédé d’adsorption sur un mélange de sable-sol agricole et cendres volantes : validation de nouveaux indices de performance

Les rejets liquides industriels, présentent un large spectre de polluants organiques et inorganiques sous forme d’état solide ou dissous, tels que les solvants, les polymères, métaux lourds, hydrocarbures, huiles, graisses, sels, des polluants biologiques, bactéries, virus et champignons… etc. La filtration constitue une technique assez largement répandue pour épurer les effluents liquides en raison de la faible dépense énergétique qu’elle entraîne, du peu de technicité demandée pour son entretien, de sa facilité d’utilisation et de son efficacité comme système de traitement des eaux usées et à moindre coût. Le présent travail vise à valoriser des sous-produits naturels pour le traitement des eaux usées industrielles par filtration percolation.

Le but du présent article est de valoriser certains déchets et sous-produits naturels pour le traitement des eaux usées industrielles de la ville d’El Jadida. Dans cette étude, nous avons utilisé un système de traitement en escalier composé de sable marin, sol agricole et des cendres volantes, déchets de la centrale thermique JLEC (JorfLasfar Energy Company), située à 16 km au sud-ouest de la ville d’El Jadida (Maroc).

Les cendres volantes sont des 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 leur efficacité pour la réduction et l’élimination de différents polluants organiques et minérales dans l’air (NOx, SOx) et dans l’eau par phénomène d’adsorption.

Matériels et méthodes

Le dispositif expérimental utilisé pour ce mode de traitement est schématisé sur la figure 1. Le premier et le troisième bassin du système de traitement utilisé sont composés d’une même quantité (q) de sable marin et du sol agricole. Le deuxième bassin séparant les deux autres est composé de cendres volantes avec le double de la quantité utilisée pour les autres bassins (2q).

Le choix de quantités utilisées pour chaque bassin, a été adopté pour une meilleure valorisation des produits naturels et pour un recyclage et une réutilisation des cendres volantes en tant que sous-produit disponible en grande quantité (figure 1).

Résultats et discussions

Les prélèvements des rejets liquides étudiés sont effectués au niveau du collecteur global de la zone industrielle de la ville d’El Jadida, Maroc. Ces eaux usées prélevées sont stockées à l’obscurité et à 5 °C pour éviter toute éventuelle modification physicochimique.

Le tableau 1, regroupe les résultats obtenus des paramètres physicochimiques avant et après traitement des eaux usées industrielles étudiées en utlisant le nouveau système à trois bassins composé de sable marin, cendres volantes, et du sol agricole.

Étude de pH

Les rejets liquides de la zone industrielle ont un caractère acide avec des valeurs qui varient entre 5 et 6 degrés pH, de tels effluents rejetés dans la nature sans traitement préalable auraient un impact négatif sur l’environnement et peuvent causer des déséquilibres physicochimiques des milieux récepteurs (figure 2). Le passage de ces eaux usées sur les 3 bassins composés de sable, de sol agricole et des cendres volantes a permis leur neutralisation. Cette neutralisation peut être expliquée par le caractère basique des supports filtrants utilisés en impliquant des processus d’échange d’ions et des phénomènes de complexation de surface qui se fait entre les supports et les ions hydrogène, qui tendent ainsi à élever le pH des eaux filtrées [1,2].

Étude des matières en suspension

Les effluents étudiés sont chargés en matières en suspension avec des valeurs dépassant les 350 mg/l (figure 3). Ces particules fines de nature organique ou minérale augmentent la turbidité des eaux et empêchent la pénétration de la lumière réduisant différentes activités biologiques dans le milieu récepteur [3-5]. Le système de traitement utilisé a permis une élimination quasi totale des matières en suspension. Cette élimination peut être expliquée par des phénomènes de fixation et d’adsorption de ces particules à la surface des différents supports composant les trois bassins de filtration [6-9].

Étude de la conductivité électrique

Les eaux usées étudiées présentent une forte conductivité dépassant les 10 mS. cm^-1, cette conductivité traduit souvent le degré de minéralisation globale des eaux usées et qui peut être due à la présence des sels dessous dans ces effluents (figure 4). Le passage de ces rejets liquides à travers les trois bassins de filtration a permis la réduction de la valeur de la conductivité électrique. Cette réduction peut être expliquée par phénomène de diffusion ionique ou par phénomène d’adsorption des différents ions (sels dissous) responsables de cette conductivité, sur les différents supports composant le système de filtration [10-12].

Étude des ions chlorure

Les eaux usées industrielles étudiées représentent une forte charge en ions chlorures avec des concentrations de l’ordre de 1.900 mg/l (figure 5). Le traitement de ces rejets liquides par le système utilisé a permis une bonne réduction de ces ions. Cette élimination peut être expliquée par des phénomènes de fixation et par échange d’ions, les différents cations (Na⁺, Ca₂⁺, Fe⁺, Al₃⁺, …) des supports utilisés piègent ces ions par adsorption au niveau de leur surface [13]. Les cendres volantes et les argiles sont connues comme des matériaux naturels présentant une bonne capacité d’échange d’ions et un pouvoir d’adsorption des ions chlorures ainsi que d’autres polluants [14-16].

Étude des ions ammonium

Les effluents étudiés présentent une forte charge en ions ammonium dépassant les 100 mg/l (figure 6). De telles concentrations auraient un impact négatif sur le milieu récepteur, ainsi ils peuvent provoquer des problèmes de corrosion des conduites et des canalisations qui véhiculent les eaux usées [17-22]. Après passage à travers les filtres composant le nouveau système de traitement, nous avons constaté une réduction de plus de 80 % en concentrations de ces ions. Cette élimination peut se faire soit par phénomène d’adsorption sur les différents supports utilisés pour la filtration, soit par capacité d’échange d’ions. Des travaux récents ont montré l’efficacité et la capacité d’échange et de sorption des ions ammonium par les cendres volantes et par les différentes argiles gonflantes composant le sol agricole et grâce à la présence des bactéries nitrifiantes dans le sol [23-25].

Étude des ions orthophosphates

Les concentrations élevées en ions orthophosphates, rencontrées dans les eaux usées étudiées peuvent provenir de différentes activités industrielles, telles que la production des engrais et des détergents. Les rejets liquides étudiés présentent des concertations dépassant les 40 mg/l (figure 7). Ces fortes charges en phosphore peuvent engendrer différents problèmes au niveau des milieux récepteurs tels que le phénomène d’eutrophisation, qui se traduit par une croissance excessive des algues dans les écosystèmes aquatiques [26].

Après passage sur les 3 bassins de filtration, nous avons noté un taux d’élimination dépassant les 60 %. Cette élimination peut être expliquée par le phénomène de sorption des ions orthophosphates sur les matrices filtrantes utilisées ou par précipitation et complexation avec des éléments constituants les feuilles des supports composants le lit filtrant, tels que Al₂O³, Fe₂O³ et CaO, qui sont considérés comme précipitant pour l’élimination physico-chimique du phosphore [27-29].

Étude de la demande chimique en oxygène

La pollution organique englobe des matières organiques biodégradables ou non, qui résultent de différentes activités humaines, agricoles et industrielles (figure 8). Cette pollution organique peut générer différents problèmes au niveau du milieu récepteur : mauvaises odeurs, dégradation de la faune et la flore, appauvrissement en oxygène [30]. Les rejets industriels étudiés sont chargés en matières organiques, le passage sur les différents supports composant le système de filtration a permis un abattement de la pollution organique. Le sable marin et le sol agricole utilisés comme supports filtrants ont déjà montré leur efficacité et leur capacité de rétention et d’adsorption de différents polluants organiques et inorganiques. Lors d’une étude de recherche, il a été rapporté que les cendres volantes et d’autres minéraux argileux ont démontré une efficacité à réduire et à enlever des phénols et des métaux lourds ainsi que d’autres polluants organiques présents dans les eaux usées [31-35].

Le tableau 2 résume les pourcentages d’élimination obtenus pour les paramètres physico-chimiques étudiés, en utilisant le nouveau système de traitement à 3 bassins.

L’étude des paramètres physicochimiques en utilisant un système à trois bassins composé de sable marin, cendres volantes et du sol agricole, a démontré son efficacité pour la dépollution des eaux usées industrielles étudiées avec un rendement moyen de 80 % pour l’ensemble des paramètres physicochimiques analysés.

Conclusion

Les différentes activités humaines, qu’elles soient domestiques, agricoles ou industrielles, sont susceptibles de contaminer, voire même altérer la qualité des différents écosystèmes environnementaux. La gestion et l’évaluation des risques environnementaux associés aux rejets liquides industrielles est une approche qui nécessite l’intégration de nombreuses connaissances dans le domaine de la chimie, la biologie, l’écologie et l’environnement. Les résultats obtenus en utilisant ce système en escalier composé de sable marin sol agricole et cendres volantes a démontré son efficacité pour le traitement des eaux industrielles de la ville d’El Jadida, avec un rendement d’élimination moyen dépassant les 78 % pour l’ensemble des paramètres physicochimiques étudiés.

Lors de cette étude, nous avons étudié différents paramètres physicochimiques à savoir le pH, les matières en suspension (MES), la demande chimique en oxygène (DCO), la conductivité électrique (CE), les ions chlorure (Cl^-) les ions ammonium (NH₄⁺) et les ions orthophosphates (PO₄^3-). En utilisant ce procédé de traitement, 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 réutilisées en agriculture et pour l’irrigation des espaces verts.