Le traitement des effluents industriels par l'oxygène et l'ozone

La prise de conscience croissante des problèmes de protection de l'environnement et les dispositions législatives accrues introduisent des exigences de plus en plus sévères dans le traitement des eaux résiduaires industrielles. Ces rejets présentent, par rapport aux eaux résiduaires urbaines, certaines particularités tenant au fait que leur débit est comparativement faible et leur concentration en polluants élevée. D’autre part, certaines industries rejettent des polluants très difficilement dégradables.

Jusqu'à présent, ces eaux usées sont fréquemment traitées au sein des stations d'épuration collectives. En France,

L'arrêté du 1er mars 1993 précise notamment les modalités de déversement des rejets industriels dans ces stations : leur raccordement n'est envisageable que dans le cas où ces stations sont aptes à traiter l'effluent industriel dans de bonnes conditions et ce, après convention préalable passée entre l'industriel et l'exploitant. D’autre part, l'industriel raccordé au réseau doit acquitter des taxes établies en fonction de la charge polluante qu'il apporte.

Ces dispositions rendent économiquement souhaitable l'épuration des effluents industriels sur le site de production (figure 1) dans un grand nombre d'établissements.

Principe de l'épuration des eauxpar l'oxygène et l'ozone

Le degré de biodégradabilité d'une eau résiduaire conditionne le type de traitement à lui appliquer.

C’est ainsi qu'un effluent dont la pollution est essentiellement biodégradable peut être épuré par des microorganismes aérobies dans des procédés de boues activées. À cet effet et pour assurer une épuration optimale, il est nécessaire de maintenir une concentration minimale d'oxygène dissous dans le bassin. Dans des conditions de température et de pression données, la limite de saturation de l'oxygène pur...

Dans l'eau est environ cinq fois plus élevée que celle de l'oxygène de l'air (où la concentration est d'environ 21 %).

Le déficit de saturation, c’est-à-dire la différence entre la concentration de saturation en oxygène et la concentration en oxygène désirée, est donc sensiblement augmenté par l'emploi d’oxygène pur. Il devient alors possible d’assurer une oxygénation adéquate tout en réduisant considérablement les consommations d’énergie.

Par contre, pour traiter des eaux peu biodégradables, il est nécessaire d’envisager d’autres moyens d’épuration, par exemple l’oxydation chimique où l'oxygène est alors employé dans des procédés d’oxydation par voie humide (tableau I).

Dans d'autres cas, l’ozone est utilisé pour traiter ces effluents difficilement dégradables. Cette molécule très oxydante est générée sur place à partir d’oxygène pur.

Les procédés d’épuration biologique

Les traitements biologiques d’eaux résiduaires reposent sur des phénomènes naturels au cours desquels les rejets sont mis en contact avec des microorganismes aérobies qui dégradent la matière organique polluante ; toutefois, cette dégradation n'est parfaitement efficace que lorsque l’alimentation en oxygène est assurée de façon suffisante.

La méthode la plus judicieuse d’injection de l'oxygène dépendant en grande partie de la nature des rejets et des conditions locales, nous avons mis au point diverses solutions spécifiques.

Le dopage à l’oxygène pur, un secours rapide aux stations surchargées

En France, de nombreuses stations d’épuration d’effluents industriels sont surchargées, de telles surcharges pouvant être dues soit à une augmentation de la production, soit à de fortes variations du flux polluant des rejets (surcharges journalières ou saisonnières). D’autres facteurs, tels que la température élevée des rejets, peuvent également réduire la capacité de traitement d'une installation. Ces différents problèmes affectent l’efficacité du traitement et provoquent des dégagements d’odeurs indésirables.

La solution traditionnellement envisagée est l’amélioration de la capacité du système d'aération par augmentation de la vitesse ou de la profondeur d’immersion des aérateurs. Dans la plupart des cas, de telles mesures ne s'avérant pas suffisantes, il semble alors nécessaire de réaliser une extension du bassin d’aération.

Grâce à la mise en œuvre du procédé de dopage que nous avons élaboré, il est désormais possible d’assurer une oxygénation adéquate des effluents sans modification des ouvrages. L'injection d’oxygène dans le bassin permet d’utiliser au mieux le volume de celui-ci : la capacité de traitement est ainsi sensiblement améliorée sans consommation supplémentaire d’énergie.

L’oxygène est injecté sous forme de fines bulles grâce à des tuyaux flexibles perforés placés au fond du bassin (figure 2), lesquels ne laissent passer l'oxygène que lorsque la pression est suffisante, c’est-à-dire lorsqu’un besoin en oxygène se fait sentir (décelé par la mesure de l’oxygène dissous). L’oxygène est stocké sous pression et son injection ne génère aucune consommation d’énergie. D’autre part, l’installation du système de dopage peut s’effectuer sans vidange du bassin.

Grâce à ce procédé de dopage, l’industriel dispose d'une méthode qui

Tableau IPotentiels Redox de divers oxydants

reste efficace même dans le cas d'une variation importante du flux polluant, et qui peut donc être envisagée pour résoudre les problèmes de pointe.

Traitement des eaux en cuve fermée

Ce procédé permet aux industriels de traiter leurs effluents dans une station compacte (figure 3). Il ne nécessite pas de décantation secondaire puisque celle-ci s’effectue cycliquement au sein de la cuve d’aération. Il est particulièrement adapté aux industries agro-alimentaires (jus de fruits, brasseries, laiteries…) où l'oxygène pur permet de traiter les effluents dans des volumes réduits, tout en assurant leur parfaite oxygénation. Il s’avère donc très avantageux :

• • le taux de dégradation de la DBO est très élevé,
• • il n'entraîne pas de stripage de substances dégageant une odeur gênante,
• • il est également utilisable lorsque la température de l'effluent est élevée,
• • il n'entraîne qu'une très faible consommation d’énergie,
• • le volume du bassin est réduit,
• • les coûts d’investissement sont faibles.

Le procédé « Biozwei »

Notre procédé Biozwei fonctionnant à l'oxygène pur a été étudié pour réaliser l'épuration biologique d’eaux usées industrielles fortement chargées. Contrairement aux bassins d’aération traditionnels, le réacteur utilisé fonctionne en flux piston.

Ce mode opératoire permet de réduire le volume d’aération de 60 à 70 % par rapport à une installation d’épuration biologique conventionnelle. La couverture du bassin d’aération évite la diffusion d’odeurs gênantes dans l’environnement. En outre elle permet de recycler l’oxygène non utilisé en tête du dispositif. D’autre part, le dioxyde de carbone généré par le métabolisme bactérien est évacué par une installation du genre Pressure Swing Adsorption (PSA). Ainsi, l'enrichissement de l’atmosphère interne en CO₂ et l’abaissement du pH qui en résulte sont évités.

La figure 4 présente le schéma fonctionnel du procédé avec ses principaux ensembles : le réacteur d'oxygénation, le dispositif d’injection de l’oxygène et d’adsorption de CO₂. L’apport d’oxygène dans les boues est réalisé au moyen de fines bulles par l’intermédiaire d'un système d’injection approprié.

L’insufflation d’oxygène permet le maintien d’une concentration bactérienne de trois à cinq fois plus élevée que dans les installations à injection d’air. Dans le cas d’eaux usées industrielles fortement chargées, cette forte concentration contribue à la stabilité du processus d’épuration. Une charge de pointe est ainsi bien absorbée par le bassin. En outre, la concentration élevée des boues permet une conception très compacte de l'installation.

Ce procédé est recommandé dans les industries chimiques, pharmaceutiques et alimentaires, d’équarissage... Dans les entreprises industrielles disposant déjà d’une station d'épuration, il permet de procéder à une épuration primaire et de décharger la station d’épuration principale.

Pour permettre d’étudier le dimensionnement de l'installation, il est indispensable de déterminer au préalable les différents paramètres d'utilisation. À cette fin, la société Messer Griesheim met en œuvre une installation-pilote montée dans un cadre conteneur (figure 5).

Un exemple spécifique : les eaux résiduaires de distillerie

Les eaux résiduaires de distillerie sont fortement chargées, et de ce fait leur épuration primaire séparée dans un réacteur Biozwei est efficace, comme les essais réalisés avec succès dans une distillerie l’ont démontré.

La figure 6 donne les valeurs de DCO relevées à l’entrée et à la sortie de l'installation Biozwei au cours de la période d’essai. Son démarrage a eu lieu avec des bactéries provenant d'une station d’épuration communale, lesquelles ont été acclimatées à ces eaux résiduaires spécifiques en dix jours par l’augmentation continue de la charge entrante. Après la phase d’adaptation, les essais de dégradation proprement dits ont pu débuter.

Le taux de traitement de la DCO obtenu au cours de ces essais s'est révélé supérieur à 90 % malgré les variations importantes de la DCO de l’effluent.

La pointe constatée au 22ᵉ jour correspond à une pollution toxique importante résultant d’une modification ponctuelle de la production. La concentration en cuivre des eaux résiduaires était alors sept fois plus élevée que les valeurs déterminées par des essais préalables effectués en laboratoire, ce qui prouve la haute résistance des bactéries aux poussées toxiques. La résolution de cette pointe a permis la reprise très rapide d’une exploitation normale.

L’essai pratique effectué dans la distillerie a confirmé ce que l’on attendait du procédé : malgré la forte variation de la charge de DCO constatée à l’entrée et divers autres facteurs perturbateurs tels que l’apport accidentel d’huile provenant d’une chaudière et du détergent provenant du nettoyage de celle-ci dans les eaux résiduaires, on a pu parvenir à la dégradation élevée de la DCO susmentionnée. Ces résultats font de ce procédé une alternative économique pour le traitement de ces eaux résiduaires.

L’épuration chimique par oxydation

Les effluents peu biodégradables peuvent être traités par des procédés chimiques d’oxydation utilisant le peroxyde d’hydrogène, l’oxygène, l’ozone ou le chlore. Ce dernier oxydant présente l’inconvénient de générer des substances nocives pour l’environnement.

Génération d’ozone et applications

La production de l’ozone par décharge électrique silencieuse à partir d’oxygène a fait ses preuves. Elle se produit entre deux électrodes séparées par un espace et un diélectrique en verre ou en céramique. À travers cet espace passe de l’oxygène, qui est partiellement transformé en ozone par la décharge électrique.

D’une façon générale, et afin que la production d’ozone soit optimisée, le gaz mis en œuvre doit remplir les conditions suivantes :

• point de rosée inférieur à – 60 °C,
• teneur en hydrocarbures inférieure à 15 ppm,
• faible teneur en particules.

L’oxygène remplit ces conditions et autorise des installations compactes et moins consommatrices d’énergie que celles fonctionnant à partir de l’air.

Applications

L’ozone trouve de nombreuses applications dans le traitement des effluents, par exemple la décontamination d’eaux cyanurées, la décoloration d’eaux usées contenant les colorants provenant de la transformation de textiles, et l’épuration de lessives contaminées qui sont ensuite recyclées dans le procédé.

L’utilisation d’oxygène et d’ozone dans l’industrie de la cellulose constitue notamment un progrès dans la protection de l’environnement.

C’est ainsi qu’en Allemagne, l’énorme pollution de l’environnement due à l’utilisation de produits chimiques chlorés pour la préparation de la pâte de cellulose et son blanchiment a pu être réduite grâce à la mise en œuvre de procédés de traitement par l’oxygène et l’ozone. Un autre domaine d’application de cette technique se rapporte à l’épuration des eaux destinées aux procédés industriels et au refroidissement dans les établissements de production (figure 8).

Le traitement des lixiviats de décharge constitue également un problème d’actualité car il s’agit là du traitement de composés très peu biodégradables. Ces eaux d’infiltration de décharges sont classées, en Allemagne, depuis janvier 1989, comme eaux résiduaires contenant des substances dangereuses et, de ce fait, elles ne peuvent plus être conduites avec les autres eaux usées vers les stations d’épuration. Elles doivent donc être traitées sur le site de la décharge.

Compte tenu de la composition de ces eaux d’infiltration, l’épuration biologique à l’oxygène combinée à une ozonation, réalisée en aval, s’avère particulièrement efficace (2) (figure 9).

Oxydation par voie humide

L’oxydation par voie humide est un système d’épuration des eaux usées dans lequel les polluants difficilement dégradables sont oxydés à l’aide d’oxygène.

sous pression et à une température élevée. Ce procédé, dénommé également « combustion sans flamme », est un processus énergétiquement autarcique qui ne demande que l’énergie nécessaire au démarrage de la réaction. La limite inférieure de ce mode opératoire autarcique se situe autour d’une valeur de DCO de 20 g/l, sa limite supérieure étant de l’ordre de 80 à 150 g/l [1].

On distingue l’oxydation par voie humide sous haute pression de l’oxydation sous basse pression.

La première est utilisée sous des pressions atteignant 200 bars et à des températures supérieures à 280 °C. Comme oxydant, on utilise en général l’oxygène de l’air. La construction des réacteurs exige des matériaux onéreux (par exemple l’Hastelloy). L’avantage de ce procédé réside dans la dégradation quasi complète des polluants contenus dans les eaux résiduaires. Les coûts élevés des traitements spécifiques constituent toutefois un inconvénient notable.

Contrairement à ce premier procédé, l’oxydation par voie humide sous basse pression fonctionne sous 3 à 20 bars et à des températures de 120 à 200 °C (figure 10). L’oxygène pur y sert d’oxydant.

Une partie des polluants des eaux résiduaires est dégradée par voie catalytique. Le reste est oxydé au point de pouvoir ensuite être dégradé complètement dans une station d’épuration biologique.

L’avantage de l’oxydation par voie humide sous basse pression réside dans son coût comparativement faible. Sa mise en œuvre convient notamment aux établissements disposant d’une station d’épuration biologique dans laquelle les eaux usées pré-épurées peuvent être traitées en aval. Bayer AG exploite l’oxydation par voie humide sous basse pression sous le nom de Loprox (low pressure wet oxidation) dans différents endroits de son usine de Leverkusen.

Conclusion

Comme on l’a vu ci-dessus, l’épuration des eaux usées à l’aide d’oxygène et d’ozone peut représenter une alternative économique aux techniques d’épuration conventionnelles, notamment dans le cas d’eaux usées contenant des charges organiques élevées, alternative à laquelle les équipements produits par notre société, décrits dans le présent article, apportent une contribution appréciable.

BIBLIOGRAPHIE

• [1] Beyrich J., Naßoxidation, Technische Mitteilung HDT, 6/1987.
• [2] Bayer AG, Procédé Loprox, prospectus de la société.

Cet article a été rédigé à partir d’une version allemande due à Hans-Ulrich Baldes et à Berthold Müller, ingénieurs de la société Messer Griesheim.

L’utilisation des mélangeurs submersibles pour l’amélioration de la qualité de l’eau stockée dans les retenues (fin)

Mehrdad SHAMSHIRSAZ – KSB SA

RÉSUMÉ

Dans la plupart des retenues d’eau destinées à la production de l’eau potable, la qualité de l’eau se dégrade, conséquence d’une eutrophisation due à une surcharge en matières organiques. Il est donc nécessaire de rechercher un procédé simple et pratique pour améliorer les caractéristiques de ces eaux brutes, en particulier au voisinage de la prise d’eau. La méthode la plus appropriée paraît consister à mettre en place un mélangeur submersible dont la puissance est utilisée pour homogénéiser l’eau par un effet de mélange orienté dans la direction souhaitée, ce qui permet d’éliminer les problèmes de stratification. Après étude-diagnostic d’un site (en l’espèce la retenue de Boussac), puis choix et installation d’un mélangeur submersible, diverses campagnes de mesures de paramètres physicochimiques et chimiques, étalées sur une période d’un an, nous ont permis d’apprécier l’efficacité de cette méthode.

Nos lecteurs trouveront ci-dessous la conclusion et la bibliographie de l’article de M. Mehrdad Shamshirsaz paru dans notre numéro de juin (p. 58), sous ce titre.

Conclusion

Les différentes campagnes de mesures effectuées dans la retenue de Boussac ont montré que le mélangeur qui y a été installé présente une efficacité significative vis-à-vis des différents problèmes liés à la valeur des paramètres physicochimiques (température, pH, oxygène dissous) et chimiques (ammoniaque, phosphore).

En effet, dès sa mise en service :

• – la stratification des eaux a totalement disparu, ainsi que la zone d’anoxie existant antérieurement ;
• – les concentrations d’ammoniaque et de phosphore se maintiennent à des valeurs inférieures à celles imposées par la norme de qualité des eaux brutes. De plus, ces paramètres restent sensiblement constants dans la zone d’action du mélangeur pendant la période étudiée.

À partir de ces résultats et afin de maintenir en permanence la qualité de l’eau de la retenue, il serait souhaitable de faire démarrer le mélangeur dès le début de la période critique (fin mars – début avril) et de ne l’arrêter qu’à la fin de la période d’eutrophisation au début de l’automne.

BIBLIOGRAPHIE

• Ahl T., Wiederholm T., Swedish water quality criteria eutrophication elements, Nat. Swedish Environ. Prot. Bd. PM 918, p. 124 (1977).
• Beneton J.P., Eutrophisation des plans d’eau, inventaire des principales sources de substances nutritives azotées et phosphorées, Trib. Cebedeau, vol. 39, n° 506, p. 15-16 (1986).
• Contrat du Ministère de l’Agriculture, Amélioration d’eau potable à partir d’eaux brutes stockées en retenues, Fondation de l’Eau (1989).
• Dobson H.F.H., Gilbertson N., Sly P.G., A Summary and Comparison of Nutrients and Related Water Quality in Lakes Erie, Ontario, Huron and Superior, J. Fish Res. Bd. Can., 31, p. 731-738 (1974).