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Étude par ICP du lixiviat de la décharge publique non contrôlée de la ville de Sidi Bennour par filtration percolation à travers une matrice purifiante

09 juillet 2021 Paru dans le N°443 à la page 110 ( mots)
Rédigé par : A. LAAMYEM de Faculté des Sciences Université Chouaib Doukkal... et I. DACHRAOUI de Université Chouaib Doukkali Faculté des science...

Le travail présenté dans l’actuelle recherche concerne la rétention des métaux lourds détectés à la fois dans les lixiviats de la décharge publique non contrôlée de la ville de Sidi Bennour et dans les eaux souterraines de quelques puits aux alentours du site de la décharge. La technique choisie est la filtration-percolation par utilisation d’une colonne verticale de 1,5?m de hauteur et 25?cm de section. Le choix de la matrice filtrante a été opté après plusieurs critères physiques comme la vitesse des écoulements, la porosité et surtout la taille granulométrique. Nous avons utilisé comme supports filtrants le sol agricole argileux, les cendres volantes, les cendres de foyer (mâchefer), et le sable marin de taille granulométrique 100?µm. Les principaux paramètres analysés par ICP dans cette étude sont le Cd, Cr, Cu, Fe, Pb, Zn Les résultats obtenus sont très satisfaisants et présentent des réductions des métaux lourds toxiques très significatives. Pour valider nos résultats, l’analyse par ICP du filtrat a été comparée avec celle de l’eau potable. Le liquide purifié que nous avons obtenu, peut bien être utilisé pour des besoins industriels, comme liquides de refroidissement ou en irrigation et la boue de filtration a été revalorisée dans le domaine de la construction en l’occurrence dans la fabrication des pavés et des panneaux agglomérés.

Les quantités et les caractéristiques des eaux usées urbaines et industrielles de plus en plus importantes sont très variées et constituent un danger croissant pour le milieu naturel. Ils provoquent des altérations du milieu environnant à cause de leurs charges en matières en suspension et en polluants organiques dissous qui sont toxiques et peuvent être persistants. Devant la croissance démographique, l’amélioration de la qualité de vie et la grande densité des zones urbaines, de nouvelles formes de pollution des eaux sont générées. En effet, l’enfouissement et le stockage des déchets solides doit permettre non seulement une gestion efficace des déchets mais aussi le traitement après drainage et récupération des deux effluents qui sont les biogaz et les lixiviats. En effet, dès la phase de dépôt, les déchets sont soumis à des processus de dégradation liés à des réactions biologiques et physico-chimiques complexes. L’eau s’y infiltre et produit des lixiviats et du biogaz chargé de substances organiques et minérales, qui engendrent une pollution essentiellement de type organique et métallique, en relation avec la biodégradation naturelle des déchets confinés et avec leurs composants anthropiques qui libèrent de nombreuses substances toxiques dans le milieu naturel, notamment dans l’atmosphère, les eaux souterraines et les cours d’eau. Dans ce contexte, nous avons développé au laboratoire un système de filtration percolation en utilisant comme supports filtrants, du sol agricole argileux, du sable marin de taille granulométrique 100 µm, des cendres volantes et des mâchefers. Nous avons choisi ce filtre surtout pour son efficacité et son rendement en termes de purification. Notre recherche a été axée principalement sur la réduction des métaux lourds dans ces rejets liquides et dans les eaux souterraines des puits situées aux alentours de la décharge étudiée. Toutes nos analyses ont été effectuées par ICP (Inductively-Coupled-Plasma). Les métaux lourds que nous avons poursuivis sont le Cd, Cr, Cu, Fe, Pb, Zn.

Échantillonnage et caractéristiques des matériaux adsorbants

Échantillonnage des eaux usées de la décharge publique : lixiviats
Figure 1 : site de prélèvement des eaux usées et eaux souterraines.

Les eaux usées utilisées sont collectées au niveau de la décharge publique non contrôlée ci-dessus (figure 1), ainsi que les eaux souterraines des puits situés aux alentours du site et représentés par P1, P2, P3, P4 et P5.

Échantillonnage et caractéristiques du sable
Figure 2 : distribution granulométrique du sable utilisé.

Le sable utilisé a été prélevé le long du littoral de la ville d’El Jadida. Ce dernier a été dans un premier temps, soigneusement lavé et séché à 40 °C dans une étuve, ensuite tamisé, désaliéné, analysé par diffraction X pour avoir une idée très précise sur le taux de présence de la calcite et de la silice et finalement par spectroscopie ICP (Inductance couplage plasma) pour s’assurer de l’absence de traces des métaux lourds. Pour identifier minutieusement les échantillons de sable, des analyses chimiques ont été effectuées par spectrométrie d’émission atomique avec plasma à couplage inductif (ICP-AES) et la distribution granulométrique (figure 2) a été étudiée.

L’analyse chimique réalisée par spectrométrie d’émission atomique avec plasma à couplage inductif (ICP-AES) a été appliquée pour indiquer précisément les caractéristiques chimiques du sable naturel utilisé dans nos expériences. Le résultat résumé dans le tableau 1 montre que le sable de taille granulométrique 100 µm contient une grande quantité d’alumine et très concentré en silice ce qui peut permettre l’interaction avec les oxydes contenus dans les cendres pour former une bonne disposition d’adsorbant performant.

Échantillonnage et caractéristique des cendres volantes et mâchefers
Figure 3 : Aspect visuel des cendres volantes (a) et des mâchefers (b).

Les cendres volantes et les mâchefers sont les plus courants parmi les déchets de charbon qui sont utilisés comme adsorbants, et dans cette étude, les deux cendres ont été extraites de la centrale thermique de Jorf lasfar « JLEC », située à 17 km de la ville d’El Jadida. Les cendres volantes (figure 3) sont produites par les précipitâtes dans les cheminées de la centrale électrique au charbon. Il apparaît dans une couleur grise avec des particules sphériques typiques. Les cendres volantes sont bien connues pour leurs propriétés pouzzolaniques et leur surface chargée négativement. Cependant, les mâchefers (Figure 3b) sont produits en étant retirés du lit du four, évacués vers le réservoir d’eau et pompés dans des lagunes étalées en attendant de se dessécher. Visiblement, il apparaît dans une couleur sombre, leurs particules sont assez poreuses et ressemblent à la lave volcanique. 

Figure 4 : Distribution granulométrique des cendres volantes et mâchefers.

Pour améliorer la compréhension du processus de filtration, les échantillons des deux cendres ont été soumis à la fluorescence X pour indiquer leur composition chimique, puis au tamisage granulométrique qui évaluent la distribution granulométrique, et en ce qui concerne la structure cristalline et la surface de chaque type de cendres, ils ont été impliqués par Taoufiq et al, qui a examiné les cendres extraites de la même centrale électrique « JLEC » utilisée dans nos expériences, ainsi son résultat serait pris en considération lors de la discussion d’adsorption puisque nous présentons la même source de cendres.

La composition chimique des cendres volantes et des mâchefers analysés par fluorescence X est donnée dans le tableau 2.

La distribution granulométrique des cendres et mâchefers est schématisée dans la figure 4.

Analyse des cendres de foyer par microscopie électronique à balayage (MEB).

La photo ci-dessus, illustre la structure morphologique des cendres de foyer obtenue par microscope à balayage électronique MEB avant filtration : elles se présentent sous la forme de particules poreuses de tailles irrégulières. Cela va dans le sens signalé par Wei-ling Sun et al, qui ont étudié une cendre de foyer similaire. Ils ont montré que la plupart des grains de cendres de foyer se présentent sous forme de sphères creuses ou de sphères comblées par des sphères plus petites.

Échantillonnage et caractéristique du sol argileux utilisé
Figure 5 : Aspect visuel du sol argileux.

Le sol agricole argileux a été collecté près de la ville d’El Jadida. L’argile est un excellent adsorbant pour éliminer les métaux lourds des solutions aqueuses. La texture du sol est présentée dans la figure 5.

La distribution granulométrique de l’argile que nous avons utilisée est donnée la figure 6 ci-dessous :
Figure 6 : Distribution granulométrique de l’argile.

Et sa composition chimique donnée après analyse par la technique de la fluorescence X est donnée dans le tableau 3 et le spectre obtenu par diffraction des rayons X est schématisé dans la figure 7.

Figure 7 : Diffraction des rayons X de l’argile.

Le résultat montre que le sol utilisé dans nos expériences, contient des éléments majeurs de silice, de l’alumine de chaux vive et du fer qui augmente l’interaction avec les oxydes contenus dans les cendres de charbon.

Montage de filtration percolation utilisé

Figure 8 : Montage expérimental utilisé pour le traitement des eaux usées.

Le montage expérimental de filtration percolation utilisé dans notre laboratoire est schématisé dans la figure 8. Il s’agit d’une colonne verticale de 1,5 m de hauteur et 20 cm de section. Le choix de la matrice filtrante a été opté après plusieurs critères physiques comme la vitesse des écoulements, la porosité et surtout la taille granulométrique. Nous avons utilisé comme supports filtrants le sol agricole argileux, les cendres volantes, les cendres de foyer (mâchefer), et le sable marin de taille granulométrique 100 µm. Ces matrices filtrantes sont disposées par étages comme indiqués dans le schéma de la figure 8.

Résultats et Discussions

Les eaux usées proviennent de la décharge publique non contrôlée située à 6 km de la ville Sidi Bennour. Ces dernières ont été analysées soigneusement par ICP (Inductance couplage plasma), et ont montré la présence de traces de métaux lourds. Le tableau 4, présente en mg/l la concentration de ces éléments dans le lixiviat brut, et après filtration à travers la matrice purifiante : sable de taille granulométrique 100 µm, le sol agricole argileux, les cendres volantes et les mâchefers. Pour valider nos résultats, une comparaison s’avère très intéressante de comparer ces valeurs avec l’eau potable du robinet de notre laboratoire.

Figure 9a : Abattement du Cadmium.
Figure 9b : Abattement du Chrome.
Figure 9c : Abattement du Cuivre.
Figure 9d : Abattement du Plomb.
Figure 9e : Abattement du fer.
Figure 9f : Abattement du Zinc.

Pour mieux visualiser ces résultats, les histogrammes de la figure 9, montre clairement ces abattements par comparaison avec l’eau potable.

La matrice que nous avons utilisée pour la filtration des lixiviats de la décharge publique en particulier les cendres volantes ont montré une meilleure dépollution. Ceci pourrait être expliqué par la formation d’une communauté multicellulaire plus ou moins complexe, souvent symbiotique, de micro-organismes (bactéries, microchampignons, microalgues ou protozoaires), adhérant entre eux et à une surface, et marquée par la sécrétion d’une matrice adhésive et protectrice dans la colonne qui permet une réduction par adsorption sur la membrane cellulaire, ainsi que par la structure poreuse et silicoalumineuse de ces cendres qui est capable de retenir les métaux lourds en les piégeant dans leurs pores par absorption et de les lier avec des liaisons chimiques à ses résignes par adsorption. Tous les métaux lourds détectés sont diminués considérablement ce qui valide nos résultats obtenus, en particulier par comparaison avec l’eau potable. Il est à noter que le zinc est très élevé dans l’eau potable, ce qui est normal vu la tuyauterie ancienne de l’installation qui est en zinc.
L’analyse par ICP, des eaux souterraines prélevées de cinq puits situés aux alentours de la décharge publique (figure 1) est donnée dans le tableau 5 ci-dessous :

nous remarquons que la concentration des métaux les plus toxiques dans ces puits est relativement faible pour deux raisons. La première est que, ces puits sont loin de la décharge publique comme le montre l’image de la figure 1, et la seconde raison est que les eaux de la nappe phréatique ont subi une infiltration à travers la couche formant le sol argileux de cette région.

Conclusion

La matrice purifiante que nous avons utilisée, formée par le sable marin de taille granulométrique 100 µm, du sol argileux, des cendres volantes et des mâchefers nous a permis de purifier efficacement les lixiviats bruts de la décharge publique non contrôlée située à 6 km de la ville de sidi bennour. La technique de filtration percolation peu coûteuse, et d’un rendement élevé pourrait bien être utilisée dans les pays arides ou semi arides et particulièrement en Afrique. Les cendres volantes et les mâchefers qui sont des déchets solides provenant des centrales thermiques, ont été valorisés dans le domaine de traitement des eaux usées, et revalorisés puisque la boue de filtration récupérée après nos expériences a été utilisée par ajout du ciment, du gravier, du sable et de l’eau dans la fabrication des pavés et des agglomérés et dans le domaine du génie civil.