Filtration et réutilisation des rejets liquides des machines à laver par infiltration percolation à travers la matrice sable cendre

Toutes les activités humaines, qu’elles soient domestiques, industrielles, artisanales, agricoles... produisent des eaux usées.

On distingue trois grandes catégories d’eaux usées : les eaux domestiques, les eaux industrielles, les eaux pluviales et de ruissellement.

Dans le présent article, nous allons nous intéresser uniquement aux rejets liquides domestiques.

Ces derniers proviennent des différents usages domestiques de l'eau.

Elles sont essentiellement porteuses de pollution organique.

Elles se répartissent en eaux ménagères, qui ont pour origine les salles de bains et les cuisines et sont généralement chargées de détergents.

Tableau 1 : comparaison directe des taux de présences des éléments toxiques détectés dans les rejets liquides de la machine à laver et ceux purifiés par notre méthode de filtration percolation à travers les sables et les cendres volantes

Graisses, solvants, polluants organiques… et eaux-vannes issues des toilettes, chargées de diverses matières organiques azotées et de germes fécaux, composent les effluents domestiques. La lessive industrielle est quant à elle constituée d’une multitude d’éléments chimiques qui expliquent l’efficacité de son action.

Ainsi, la lessive contient généralement des détergents indispensables au lavage puisqu’ils entourent les taches et les salissures, les détachent du linge et les maintiennent dispersées dans l'eau. Les détergents ne servent pas seulement au lavage : ce sont avant tout des agents qui modifient la tension d'une solution, permettant ainsi la séparation des taches de leur support. Ils se composent de tensioactifs, agents nettoyants synthétiques ; de composés alcalins, tels que le carbonate de sodium, qui maintiennent un pH élevé et améliorent l’efficacité des tensioactifs ; d’agents séquestrants destinés à piéger les ions calcium Ca²⁺ et à renforcer l’efficacité des détergents. Des agents anti-redéposition, également appelés produits complexants, empêchent les salissures mobilisées de se redéposer sur le linge. Des enzymes agissent sur les taches organiques : lipases pour les lipides (taches grasses) et protéases pour les protéines (sang…). Ces enzymes restent actives en faible quantité et à température modérée.

Les solvants présents dans les détachants provoquent une forte pollution de l'eau et sont dangereux pour la santé ; ils affectent les voies respiratoires, les yeux et les reins. La soude caustique augmente le pH des eaux, menaçant la faune et la flore aquatiques. Les phosphates contenus dans les lessives sont responsables de l’eutrophisation de l’eau, entraînant asphyxie du milieu et mort des êtres vivants.

La somme de toutes ces substances nocives est rejetée dans les eaux usées, qui doivent être traitées après leur transit en réseau d’assainissement. Une part importante ne peut pas être éliminée par les stations d’épuration et est ensuite déversée dans les milieux naturels. Pour contribuer modestement à la dépollution de ces rejets liquides, nous avons appliqué une technique de filtration percolation à travers des lits filtrants composés de sables littoraux choisis pour leur granulométrie, leur porosité et leur teneur en silice et en calcite.

Matériels et méthodes

Le sable utilisé, de textures différentes, a été prélevé le long du littoral de la ville d’El Jadida. Il a été nettoyé, tamisé pour déterminer ses classes granulométriques, analysé par diffraction X afin de mesurer précisément les taux de calcite et de silice, puis contrôlé par spectroscopie ICP (Inductance Couplage Plasma) pour vérifier l’absence de métaux lourds.

Nous avons réalisé en laboratoire le montage expérimental illustré figure 1. Il s’agit d’un cylindre de longueur L et de section S. Le lit filtrant se compose de deux couches de sables de granulométrie décroissante et d'une couche de cendres volantes. La granulométrie a été sélectionnée selon une étude antérieure.

riére bien précise concernant la vitesse de l'écoulement.

Résultats et discussions

Les eaux usées à traiter sont de caractère domestique. Ces dernières ont été analysées soigneusement par ICP (Inductance couplage plasma), et ont montré la présence de plusieurs éléments toxiques ainsi que des traces de métaux lourds. Le tableau 1 présente en ppm une comparaison directe des taux de présences des éléments toxiques détectés dans les rejets liquides de la machine à laver et celui purifié par notre méthode de filtration percolation à travers les sables et les cendres volantes. Un premier examen des résultats obtenus montre l’efficacité de notre méthode. Les taux en ppm des éléments toxiques et autres observés dans l’eau filtrée se situent dans les normes d'une réutilisation par un lave-linge en circuit fermé, en irrigation des sols, en fontaines ou pour des besoins domestiques comme les lavages, ou encore en industrie comme liquide de refroidissement, par exemple.

métal lourd durant le cycle de lavage, particulièrement le rejet liquide direct et celui purifié et traité par notre méthode.

Le cadmium est un métal hautement toxique, considéré comme cancérigène. Son action toxique est semblable à l’effet du plomb. Il peut être relâché dans l'eau potable par les tuyaux en fer zingué. Le zinc contient toujours une petite quantité de cadmium. Le plomb est un métal gris bleuâtre malléable qui peut se présenter sous forme de carbonates PbCO₃ (cérusites), de sulfure (galène PbS), de chlorure de plomb (PbCl₂), etc. L’utilisation du plomb est directement liée à la métallurgie. Il est retrouvé principalement dans les peintures (carbonate de plomb (PbCO₃)), jouets, immeubles vétustes, soudures (raccord adduction d'eau), vaisselle vernissée.

Les figures 3 à 9 permettent de mieux visualiser les valeurs en ppm de chaque

(silicate de plomb : PbO.SiO₂) attaquée par des aliments acides.

Nous constatons que sa teneur est restée constante et comparable à celle contenue dans l'eau du robinet qui alimente notre machine à laver.

L'arsenic peut être toxique même à faibles quantités. Néanmoins, l’arsenic contenu dans la nourriture (quantité de 0,01 à 1,5 mg/kg de matière sèche) a une influence différente : il accomplit certaines fonctions métaboliques positives pour notre corps. Sa toxicité est fortement liée à la concentration. L’arsenic se présente généralement sous forme de cristaux gris, brillants, d’aspect métallique. Il existe sous deux autres formes allotropiques : l’arsenic jaune et l’arsenic noir. Cet élément est assez répandu dans la nature. Ses principaux minerais

Sont : le mispickel, minerai dans lequel l'arsenic se trouve uni au fer natif ou au fer sulfuré (FeAsS), le plus abondant ; le réalgar, sulfure d’arsenic (As₂S₂), espèce hydrothermale formée à des températures relativement basses ; l’orpiment, sulfure d'arsenic jaune (As₂S₃), rare, connu depuis l'Antiquité et longtemps utilisé comme pigment (jaune orpiment).

L'arsenic et ses composés minéraux ont de très nombreuses applications industrielles : fabrication d'insecticides, de raticides, d’herbicides et de fongicides ; industrie des colorants ; métallurgie (pour durcir le cuivre, le plomb, l’or sous forme d’alliages) ; empaillage des animaux ; épilage des peaux en tannerie et mégisserie. Le filtre que nous avons utilisé a permis une réduction très apparente de ce métal très toxique comme le montre la figure 4.

Le cuivre est un élément essentiel pour notre santé, mais il est toxique à concentration élevée. Une consommation journalière de 1,2 mg est recommandée. La pollution au cuivre dans l'eau peut provenir de la corrosion de tuyaux en cuivre par une eau acide.

La présence de métaux tels que le plomb, le cuivre et le nickel dans l'eau à la sortie des installations de production d’eau est faible voire indécelable. Cependant, ces substances peuvent se retrouver à des concentrations supérieures dans l’eau du robinet du consommateur. Cette présence éventuelle est alors due à la dissolution dans l’eau de ces métaux contenus dans les canalisations (réseaux intérieurs et éventuellement branchements publics), les vannes et les éléments de robinetterie des réseaux intérieurs du bâtiment. La dissolution des métaux dans l'eau peut être augmentée par la stagnation prolongée de l'eau dans les canalisations internes et la présence éventuelle d’un dispositif collectif ou individuel d’adoucissement de l'eau.

Composant majoritaire de la croûte terrestre, le fer est présent sur toute la surface de la Terre. Très oxydable, il est peu présent dans les eaux de surface aérées. En revanche, on en retrouve parfois des concentrations importantes dans les eaux souterraines. En effet, le fer se trouve en solution dans les eaux privées d’oxygène. Suivant les cas, il pourra exister à l'état colloïdal, sous forme de complexes organiques ou minéraux. Au contact de l’air, on assiste à une précipitation due à l’oxydation de ce métal. Le fer est fréquemment associé au manganèse avec lequel il a la propriété de co-précipiter. Le fer entraîne, à des concentrations supérieures à un certain seuil, des effets indirects gênants pour l'usager : neutralisation des désinfectants pouvant générer la prolifération des microorganismes dans les réseaux de distribution ; conséquences de

La corrosion dans les canalisations métalliques avec libération du métal ; distribution d’eau de couleur rouille, au robinet de l'utilisateur, qui tache le linge et les installations de plomberie ; inconvénients d’ordre organoleptique (goût métallique de l'eau, turbidité, coloration rouge) ; réduction progressive des débits de conduite (formation de dépôts) en association avec le manganèse. Sur la figure 6, nous constatons que le filtre utilisé dans notre expérience a complètement réduit sa teneur.

La présence de métaux tels que le plomb, le cuivre et le nickel dans l'eau à la sortie des installations de production d’eau est faible, voire indécelable. Cependant, ces substances peuvent se retrouver à des concentrations supérieures dans l'eau du robinet du consommateur. Cette présence éventuelle est alors due à la dissolution dans l'eau de ces métaux contenus dans les canalisations (réseaux intérieurs et éventuellement branchements publics), les vannes et les éléments de robinetterie des réseaux intérieurs du bâtiment. La dissolution des métaux dans l'eau peut être augmentée par la stagnation de manière prolongée de l’eau dans les canalisations internes et la présence éventuelle d'un dispositif collectif ou individuel d’adoucissement de l’eau. Nous constatons que notre filtre a presque définitivement éliminé cet élément toxique comme l'indique la figure 7.

Le plomb est un poison pour les micro-organismes même à de faibles quantités, interférant avec la formation d’hémoglobine et avec le fonctionnement du système nerveux central. Le plomb est particulièrement nocif pour les enfants qui peuvent souffrir des désordres comportementaux et neurologiques à long terme.

Les principales sources de plomb sont la peinture, les émissions des véhicules, l'eau et la nourriture. Le plomb est un toxique dont il convient de limiter l'accumulation dans l’organisme. Il est donc recommandé, lorsque l'eau a stagné dans les canalisations (par exemple le matin au réveil ou au retour d'une journée de travail) de n'utiliser l'eau froide du robinet pour la boisson ou la préparation des aliments qu'après une période d’une ou deux minutes d'écoulement. Une vaisselle préalable (voire une douche si la salle d’eau est alimentée par la même colonne montante que la cuisine) permet d’éliminer l’eau ayant stagné dans les tuyaux sans la gaspiller. Cette pratique assure l'élimination de la plus grande partie des éléments métalliques dissous dans l’eau. Il est également déconseillé d’utiliser l'eau chaude du robinet pour la préparation des denrées alimentaires (café, thé, cuisson des légumes et des pâtes...) dans la mesure où une température élevée favorise la migration des métaux dans l'eau.

Nous constatons, d’après la figure 8, que l’eau purifiée contient ce métal, ce qui est normal, vu que notre filtre est constitué de cendres volantes, mais en quantité limitée, inférieure à la norme internationale.

Le zinc est une substance très commune qui est présente naturellement. Beaucoup d’aliments contiennent du zinc. L'eau potable contient aussi une certaine quantité de zinc, qui peut être plus élevée lorsque l'eau est stockée dans des réservoirs en métal. Le niveau de zinc dans l'eau peut atteindre des niveaux qui peuvent causer des problèmes de santé du fait des rejets industriels et des déchets toxiques. Le zinc est un élément essentiel pour la santé de l'homme. Lorsqu'on absorbe trop peu de zinc, on peut souffrir d’une perte de l’appétit, d'une diminution des sensations de goût et d'odeur. Les blessures cicatrisent lentement et on peut observer l’apparition de plaies. Les carences en zinc peuvent aussi provoquer des problèmes lors des naissances. Notre filtre naturel a complètement réduit cet élément à une valeur comparative à celle contenue dans l'eau potable, comme le montre la figure 9.

Le pH, ou potentiel hydrogène, représente la concentration de l’eau en ions hydrogènes. Le pH est compris entre 0 et 14. L’eau est acide si le pH se situe entre 0 et 6, elle est basique si le pH se situe entre 8 et 14, et aux alentours de 7, le pH est neutre. De nombreux facteurs peuvent faire varier le pH de l’eau : la température extérieure, le dosage des produits de désinfection. Un pH mal équilibré peut occasionner différentes gênes : changement de la couleur de

L’eau, qui n’est donc plus totalement pure, entraîne une moins bonne efficacité des produits désinfectants, une irritation des yeux et de la peau, le développement de calcaire ou d’algues dans les canalisations, ainsi que la détérioration du matériel : fixations, revêtement, système de filtration de l’eau. Le rejet purifié par notre filtre naturel a permis la réduction du pH des eaux usées à 6,7, d’où son efficacité.

Le titre hydrotimétrique de l’eau, qui est directement lié à la mesure du TA et du TAC, a été imaginé pour mesurer l’importance de la consommation de savon. Le savon est constitué de sels sodiques et potassiques d’acides gras (corps gras + base = savon). C’est un composé soluble dans l’eau dont les acides gras forment, avec le calcium et le magnésium, des composés insolubles. Lorsque l’eau utilisée est dure (TH élevé), les acides gras neutralisent le calcium et le magnésium de l’eau avant de pouvoir agir en tant qu’agents détergents. Une eau dure nécessite, pour le même pouvoir détergent, une quantité plus élevée de savon qu’une eau douce. La figure 11 montre la rentabilité et l’efficacité de notre méthode de purification, puisque le filtre analysé a complètement réduit de 97 % la valeur du taux d’alcalinité.

Conclusion

La filtration sur sable est l’un des procédés les plus répandus en traitement de l’eau. L’étape de filtration permet de séparer la phase continue, liquide, de la phase dispersée, solide. Elle fixe les matières en suspension les plus fines, jusqu’à un diamètre de 10 micromètres. Comparé à la décantation, le seuil de coupure est donc plus fin. L’eau passe au travers d’un milieu filtrant poreux, sous l’action d’une force de pression fournissant à la suspension l’énergie nécessaire qui lui permet de traverser le milieu poreux. Le filtre que nous avons utilisé dans le présent travail est composé de trois étages : deux de sables de granulométries décroissantes et le troisième à base de cendres volantes. Ce filtre nous a permis à la fois de diminuer considérablement les taux des éléments toxiques, les odeurs et surtout la coloration. Le liquide que nous avons purifié présente les qualités d’une eau qui pourra être réutilisée dans plusieurs domaines : domestique, industriel ou en irrigation.

Références bibliographiques

1) Caractérisations physiques et chimiques des eaux usées industrielles après filtration à travers la matrice sol-sable en fonction de la taille granulométrique. Revue L’Eau, L’Industrie, Les Nuisances, n° 343, pages 85 à 88.

2) Contribution au traitement par infiltration-percolation des lixiviats de la décharge publique contrôlée de la ville de Fès au Maroc. Revue L’Eau, L’Industrie, Les Nuisances n° 341, pages 85 à 93.

3) Revalorisation des cendres volantes dans le traitement des eaux usées industrielles de la ville d’El Jadida. Revue L’Eau, L’Industrie, Les Nuisances n° 332, pages 101 à 104.

4) Rétention des métaux lourds des eaux usées industrielles par filtration percolation à travers une couche sol-sable. Revue L’Eau, L’Industrie, Les Nuisances n° 327, pages 92 à 96.

5) Approche analytique des éléments majeurs, micro-nutriments et métaux lourds dans les eaux de la lagune et des salines d’Oualidia (zone humide du Sahel côtier atlantique, Doukkala, Maroc) par spectrométrie de plasma ICP-MS. Revue L’Eau, L’Industrie, Les Nuisances n° 364, pages 90 à 109.

6) Purification performance of filtration process for leachate in Morocco by marine sands, clays and fly ash, Journal of Biotechnology Letters, volume 4, issue 4, 2013, pp. 51-59.

7) Plusieurs sites officiels spécialisés dans le domaine de traitement des eaux.