Les Composés Organiques Volatils COV sous l'effet des rayons ultra-violets (UV) et en présence de certains précurseurs peuvent provoquer la formation d'ozone atmosphérique qui est considéré comme un polluant atmosphérique. Les installations industrielles peuvent être à l'origine d'émissions de Composés Organiques Volatils (COV). Les sites de production Mane, du Bar-sur-Loup mettent en oeuvre des process d'extraction, de synthèse, de mélange, qui génèrent des COV. Une partie des COV est traitée sur la station d'épuration de l'entreprise. L?arrêté ministériel du 2 février 1998 impose aux industriels la réalisation de bilans prenant en compte les entrées, les sorties de COV les différentes utilisations et déterminer ainsi les pertes atmosphériques. Le but de cette étude est de déterminer le taux de perte atmosphérique des COV traités sur la station d'épuration de la société.
La station d’épuration collecte tous les effluents industriels pollués, qu’ils soient dilués ou concentrés, en provenance des sites de La Sarrée et de Notre Dame. Le process épuratoire repose sur un traitement biologique par boues activées (cf. schéma 1). Les effluents industriels traités sur la STEP sont constitués des eaux de lavage (lavage des appareils, des sols…), de sous-produits issus des activités d’extraction ou de synthèse. La station collecte aussi, en cas de pollution accidentelle, les eaux pluviales canalisées au sein de l’usine. En ce qui concerne les eaux vannes du site de Notre-Dame, elles sont traitées par la station d’épuration communale du Bar-sur-Loup. Les eaux vannes issues du site de La Sarrée sont traitées sur une micro-station ; la surverse de la micro-station rejoint les eaux usées industrielles issues de La Sarrée et les eaux sont traitées sur la station d’épuration Mane.
> Capacité : 35 000 Équivalents Habitants.
> Qualité du milieu récepteur : les eaux traitées par la station sont dirigées vers le Riou. Ce ruisseau coule toute l’année, avec un très faible débit en été. Il rejoint le Loup, fleuve côtier de 48 km, qui se jette dans la Méditerranée à Villeneuve-Loubet. Le Loup a une qualité de niveau 1A (eau de bonne qualité).
Normes de rejet
| Paramètre | Valeur limite | Flux |
|---|---|---|
| Température | < 30 °C | |
| pH | 5,5 – 8,5 | |
| MES | < 35 mg/l | 26,25 kg/j |
| DBO5 | < 100 mg/l | 75 kg/j |
| DQO | < 300 mg/l | 225 kg/j |
| Hydrocarbures totaux | < 40 mg/l | 7,5 kg/j |
| Cuivre | < 0,5 mg/l | 0,375 kg/j |
| Chrome | < 0,5 mg/l | 0,375 kg/j |
Prélèvements
Points d’autosurveillance
Les points d’autosurveillance de la station d’épuration V.M.F. sont au nombre de deux :
- - Le point entrée station : il représente l’effluent brut avant traitement. Il est situé à la sortie du poste de neutralisation après tamisage,
Le point sortie station :
il représente l'effluent traité avant rejet dans le milieu naturel. Il est situé après le bassin de post-floculation, au niveau du déversoir en sortie.
Le prélèvement des échantillons
Le prélèvement des échantillons est effectué par un préleveur d'échantillons en poste fixe Endress + Hauser modèle ASP Station A - 4 bidons. La prise d'échantillon est asservie au débit d'entrée dont la mesure est effectuée par un débitmètre électromagnétique. Les échantillons sont collectés chaque jour ouvré à partir de 8 heures. L'échantillon du mardi 8 heures correspond à la période d'activité du lundi 8 heures au mardi 8 heures. L'échantillon du lundi matin est constitué d'une communelle des échantillons du vendredi 8 heures au lundi 8 heures.
Analyses
+ journalières : - DCO, Azote Kjeldahl, méthode photométrique après minéralisation + hebdomadaires : - DBO5 (cette analyse est effectuée au laboratoire central de l'usine Mane) + mensuelles : - hydrocarbures totaux - cuivre - chrome
Ces analyses mensuelles sont réalisées par un laboratoire extérieur, le Laboratoire de l’Environnement de Nice.
Charges entrée et sortie (année 2004)
Moyenne annuelle
Débit : entrée 657 m³/j ; sortie 424 m³/j DCO : entrée 3 146 kg/j ; sortie 67 kg/j ; rendement 97,8 % DBO5 : entrée 1 658 kg/j ; sortie 13 kg/j ; rendement 99,23 % MEST : entrée 682 mg/l ; sortie 19 mg/l ; rendement 97,07 %
Devenir des sous-produits
+ Les boues (siccité : 15-18 %) : - envoyées en co-calcination en cimenterie (Contes 06) - utilisées dans le compostage de la revégétalisation des décharges ou carrières (Lancon 13) + Les sous-produits de prétraitements : - les refus de tamis, essentiellement composés de déchets végétaux, sont envoyés en compostage (Peymeinade 06). Le compost obtenu est utilisé pour la re-végétalisation des décharges ou carrières.
Rappel sur le principe des boues activées
Pour appréhender au mieux les pertes atmosphériques de COV, il faut comprendre le processus de dégradation de la pollution au sein des bassins biologiques. Dans notre cas, il s'agit du système par boues activées.
Les traitements biologiques reproduisent, artificiellement ou non, les phénomènes d'auto-épuration existant dans la nature. L'auto-épuration regroupe l'ensemble des processus par lesquels un milieu aquatique parvient à retrouver sa qualité d'origine après une pollution.
Les techniques d'épuration biologique utilisent l'activité des bactéries présentes dans l'eau, qui dégradent les matières organiques. Cette dégradation résulte de l'activité biochimique des micro-organismes. Ceux-ci décomposent les matières organiques biodégradables et synthétisent le protoplasme de nouvelles cellules (reproduction). Ces réactions se font à partir d'agents catalytiques : les enzymes sécrétés par les bactéries.
Ces techniques sont dites aérobies, c'est-à-dire nécessitant un apport d'oxygène. En France, c'est aujourd'hui le procédé des « boues activées » qui est le plus répandu dans les stations d'épuration assurant un traitement secondaire. La culture bactérienne est maintenue dans un bassin aéré et brassé. Un système d'aération, nécessaire au développement aérobie de la biomasse, permet à la fois d'apporter l'oxygène nécessaire à l'épuration et de brasser les eaux usées. Ce brassage est aussi indispensable pour homogénéiser le mélange et éviter les dépôts.
Les matières organiques contenues dans l'eau se transforment en carbone (sous la forme de dioxyde de carbone - CO₂) sous l'action des bactéries. Les résidus ainsi obtenus forment les boues. Après un temps de séjour dans ce bassin d'aération, l'effluent est envoyé dans un clarificateur, appelé aussi décanteur secondaire. L'eau épurée est ainsi séparée des boues par décantation. Une partie des boues recueillies au niveau du décanteur est re-circulée dans le bassin d'aération afin de réensemencer ce dernier. Les boues en excès seront extraites et traitées dans la filière boues.
La station de traitement des eaux industrielles de l'usine Mane repose sur le procédé des boues activées. Pour un gain de place, le décanteur ainsi que le bassin d’aération sont réunis au sein du même ouvrage, le bassin biologique (cf. photos 1, 2, 3).
La station dispose de deux ouvrages similaires, le bassin biologique numéro 1 et le bassin biologique numéro 2. Le bassin d’aération n° 1 a une capacité de 500 m³, le décanteur de 100 m³. Le bassin d’aération n° 2 possède une capacité de 400 m³, le décanteur de 200 m³.
L'effluent arrive, après prétraitement, du bac tampon à un débit maximum hydraulique de 36 m³/h, mais il est alimenté généralement entre 55 % et 75 % de ce débit maximum. Il se déverse au fond des deux bassins biologiques simultanément. Il est ensuite brassé à l'aide de diffuseurs grosses bulles situés à 1,5 m du fond du bassin. La concentration en oxygène dissous doit être entre 0,5 mg/l et 2,5 mg/l. Cette eau aérée passe par surverse dans le décanteur. L’eau clarifiée est récupérée et envoyée dans le module de post-floculation.
Pour l’extraction des boues, lorsqu’un bassin est en phase d’extraction, le deuxième bassin est en phase de recyclage.
Justification du choix du pilote
Les méthodes utilisées pour la détermination des pertes atmosphériques en COV, selon les recommandations de l'INERIS, reposent sur la mise en place d’un dispositif de mesure des émissions surfaciques, positionné périodiquement en différents points de chaque bassin émetteur afin de cerner les émissions dans l'espace et dans le temps. Cette approche est difficilement réalisable sur la station d’épuration compte tenu des éléments suivants :
- variations importantes des concentrations en entrée de l’unité de traitement,
- variations importantes de l'insufflation d'air au niveau des bassins biologiques dues à l'asservissement des surpresseurs d’air à la concentration en oxygène dissous,
- difficulté concernant la fabrication d'une « boîte surfacique ».
L’étude, au travers d'un pilote, permet de modéliser un étage de traitement biologique. Il représente un des deux étages biologiques par boues activées de la station, composé d’un bassin d’aération et d’un bassin de décantation. Il permet aussi de maîtriser les différents paramètres intervenant dans le process. C'est donc cet outil qui a été retenu pour la détermination des pertes atmosphériques de COV comme il le fut en 1983 pour l’étude du dimensionnement correct de la station d’épuration V. Mane et Fils.
Choix du COV
Le COV étudié est l'alcool éthylique. Il est très majoritairement utilisé sur les sites de production de Notre-Dame et La Sarrée en tant que solvant des arômes et parfums et surtout en tant que solvant d’extraction en matières premières végétales.
Méthodologie
Pour évaluer au mieux la perte atmosphérique maximale sur la station d’épuration Mane, la méthodologie retenue est la suivante :
- vérification du bon fonctionnement du pilote en présence de boues activées et détermination de la quantité d’air nécessaire à injecter > 1er essai ;
- vérification de la biodégradabilité de l'éthanol en présence de boues activées > 2ᵉ essai ;
- vérification de la biodégradabilité de l’éthanol en présence d’effluents industriels > 3ᵉ essai ;
- détermination du taux de perte maximum sur le pilote > 4ᵉ essai.
Il s'agit de faire fonctionner le pilote selon les paramètres précédemment définis avec uniquement de l'eau plus de l’éthanol. La différence de concentration entre l’entrée et la sortie correspond à la perte atmosphérique maximale de l’alcool.
Essai avec diminution d’apport d’air pour valider les dispositions du Plan de Protection de l’Atmosphère lors de pics de pollution à l’ozone > essai complémentaire.
Rappels sur l’éthanol
Caractéristiques physico-chimiques
Sa formule brute est CH₃-CH₂-OH.
C'est un liquide mobile, incolore, volatil et hygroscopique. Il est miscible à l'eau, le mélange se faisant avec dégagement de chaleur et contraction. Il donne avec l'eau un azéotrope contenant 4,4 % d'eau, dont le point d’ébullition (78,2 °C) n’est que très légèrement inférieur à celui de l’alcool pur.
Caractéristiques physiques
- Température de fusion : -112 °C.
- Température initiale de distillation : 78 °C.
- Point d'éclair : 13 °C en coupelle fermée.
- Température d'auto-inflammation : 371 °C.
- Caractéristiques d'explosivité en % volume dans l'air :
- limite inférieure : 3,3 %
- limite supérieure : 19 %.
- Pression de vapeur :
- 20 °C : 5,85 kPa
- 34,9 °C : 13,3 kPa
- 63,5 °C : 53,3 kPa.
- Densité de vapeur : 1,59 (air = 1).
- Masse volumique : 0,789 g/cm³ à 20 °C.
- Solubilité : miscible à l'eau en toutes proportions, miscible aux alcools, à l'oxyde de diéthyle et à la plupart des solvants organiques.
Biodégradabilité de l’éthanol
La biodégradabilité d'un matériau peut être…
réaction ne dure qu’un court moment.L’aldéhyde déshydrogénase va poursuivre l’oxydation de l’acétaldéhyde en acide acétique.Malgré cette dégradation microbienne, une partie de l’alcool éthylique va donc s’évaporer.L’éthanol va passer de l’état liquide à l’état de vapeur. Ce changement d’état se nomme la vaporisation.
Selon les conditions dans lesquelles elle se réalise, la vaporisation peut revêtir plusieurs aspects : évaporation, ébullition… Ici, on parlera d’évaporation. En effet, ce phénomène a lieu à toutes les températures et s’effectue à la surface du liquide.
Nous savons qu’un liquide, comme un gaz, est formé de particules extrêmement petites. Ces particules, jointives dans un liquide, et espacées dans un gaz, sont en perpétuel mouvement. La pression d’un gaz mesure l’effet des chocs des particules sur une paroi. Elle est d’autant plus grande que la concentration des particules (nombre de particules par unité de volume) est grande et que la température est élevée. Ces grandeurs sont reliées entre elles par la loi des gaz parfaits.
Il en résulte que la concentration des particules dans une vapeur ne peut excéder une certaine valeur limite correspondant à une pression maximale p°.
Si dans un récipient, on retire lentement des particules (ou si on augmente le volume du récipient), des particules de liquide se vaporisent de manière à maintenir la pression p° de la vapeur saturée. C’est seulement lorsque le liquide aura entièrement disparu, que la pression deviendra inférieure à p° et que la vapeur sera sèche.
Cette tendance au maintien de la pression p° au-dessus du liquide correspond à un état d’équilibre entre le liquide et sa vapeur : c’est l’équilibre liquide-vapeur. La loi de Henry décrit ces équilibres :
H = C₁ / C₂ H = constante de Henry C₁ = concentration en phase gazeuse du constituant C₂ = concentration en phase liquide du constituant
Dans le cas du pilote, comme pour la station, nous avons des bassins à surface libre. L’évaporation s’effectue donc à l’air libre. Un liquide abandonné à l’air libre s’évapore progressivement et la vapeur formée se répand à l’infini dans l’atmosphère illimitée. Au-dessus du liquide, la pression partielle p de la vapeur n’atteint pas en général la valeur de la pression maximale p° et l’évaporation se poursuit à une certaine vitesse.
La vitesse d’évaporation est la masse de liquide vaporisé par unité de temps. Elle est proportionnelle à la surface libre du liquide. Elle est aussi proportionnelle à la différence (p° – p) entre la tension de vapeur p° du liquide à la température de ce liquide et la pression partielle et locale p de la vapeur déjà répandue dans l’atmosphère au-dessus de la surface libre.
En conséquence, la vitesse d’évaporation est d’autant plus grande qu’on est loin des conditions de l’équilibre liquide-vapeur, c’est-à-dire lorsque p° est grand et p petit. Ainsi, un liquide dont la tension de vapeur p° est grande s’évapore facilement ; on dit que ce liquide est très volatil. Dans le cas contraire, l’évaporation est très faible (mercure, huile). Pour un liquide donné, la vitesse d’évaporation croît lorsque la température s’élève. En effet, la tension de vapeur p° des liquides croît avec la température.
Pour évaluer simplement l’évaporation de l’éthanol dans un mélange eau-éthanol (lequel sera utilisé plus tard lors des essais sur le pilote), on peut réaliser l’expérience suivante.
En plaçant dans un bécher un certain volume d’une solution eau-éthanol il est possible de faire doser la concentration en éthanol au début de l’expérience. Cette concentration est de 855 ppm d’éthanol. Le bécher est laissé à l’air libre durant 48 h (temps de passage de l’effluent au sein du pilote, paramètres de fonctionnement). L’éthanol est ensuite dosé après ces 48 h. On obtient 845 ppm. On voit donc bien qu’une petite partie de l’éthanol s’évapore.
L’évaporation naturelle d’une partie de l’éthanol que l’on a pu voir précédemment va être amplifiée par ce qu’on appelle le phénomène de stripping, insufflation d’air et entraînement des molécules d’éthanol dans l’atmosphère.
C’est la partie évaporée par stripping qui va être déterminée à l’aide des essais sur le pilote.
Principe de fonctionnement du pilote
Principe général (cf. schéma 3)
Le pilote représente au 1/10 000 un étage du procédé biologique d’épuration, plus précisément le bassin biologique numéro 1. Pour une question de facilité de fabrication et d’étude, le décanteur est séparé du bassin d’aération (cf. photo 4).
L’effluent brut est pompé du réservoir d’entrée (1) par une pompe doseuse magnétique ProMinent gamma/L. Il est dirigé vers le bassin d’aération (2) où de l’air est envoyé au travers d’une couronne située au fond du bassin (cf. photo 5). Cet air provient du réseau de la station alimenté par un surpresseur. Ce dernier permet d’alimenter en air la flottation ainsi que le filtre-presse dans la station.
L’eau transite ensuite par surverse (cf. photo 6) jusqu’au décanteur (3) (cf. photo 7).
Les boues sont ici recyclées en permanence par une deuxième pompe doseuse. Une extraction des boues manuellement est réalisée lorsque le niveau de boue augmente. Pour cela, une vanne d’extraction a été positionnée au bas du décanteur (cf. schéma 3). Cette eau clarifiée est aussi récupérée par débordement dans le réservoir de sortie (4).
Paramètres de fonctionnement du pilote
+ Débit d’alimentation Le débit hydraulique maximum d’alimentation des deux bassins biologiques de la station est de 36 m³/h. Selon le débit d’entrée de la station, les bassins sont alimentés sur une plage de 55 % à 75 % de ce débit maximum. Le pilote représente un seul bassin d’aération à l’échelle 1/10 000. Le débit d’alimentation est fixé à hauteur de 65 % afin d’être représentatif du débit traité sur la STEP. Par conséquent le débit d’alimentation pour le pilote est le suivant :
= 36/2 = 18 m³/h = 18 × (65/100) = 11,7 m³/h soit 11 700 l/h = 11 700/10 000 = 1,17 l/h
Le débit d’alimentation du pilote sera donc de 1,17 l/h. Pour des raisons de facilité de mesure, les valeurs seront exprimées en ml/min, soit 19,5 ml/min.
+ Débit de recirculation des boues ≈ 90 % du débit d’alimentation, c’est le taux de recirculation sur la station d’épuration.
+ Débit d’air L’alimentation en oxygène des bassins biologiques est réglée afin d’avoir une concentration en oxygène dissous de 0,5 mg/l à 2,5 mg/l.
+ Contrôles effectués
Analyses : Les analyses sont réalisées toutes les 24 heures. Un échantillon est prélevé dans les réservoirs d’entrée et de sortie après les avoir agités. Ceci permet d’homogénéiser la solution et de réaliser un échantillon moyen sur 24 heures.
* DCO : la Demande Chimique en Oxygène correspond à la concentration de l’ensemble des matières organiques, biodégradables ou non. C’est la quantité d’oxygène nécessaire pour dégrader la matière organique de l’effluent, exprimée en mg/l. Cette analyse va permettre d’évaluer le rendement épuratoire du pilote. Méthode d’analyse à l’aide de tube DCO Merck Spectroquant.
* pH : la mesure est effectuée à l’aide d’un pH-mètre. Cela va permettre de savoir si le pH régnant dans le pilote est proche de celui de la station, et qu’il n’y a pas de dérive.
* Concentration en oxygène dissous dans le module d’aération : à l’aide d’un oxymètre. Cette mesure sera utile au réglage du débit d’air dans le bassin d’aération.
* Température au sein du module d’aération : à l’aide de l’oxymètre.
* Concentration en éthanol : méthode d’analyse par chromatographie liquide.
Tableau 6 : Résultats essai : effluent bac tampon + boues activées
| Date | DCO entrée (mg/l) | pH | DCO sortie (mg/l) | pH | Rendement du pilote | T °C | [O₂] mg/l | Remarque |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1ᵉʳ jour | 1 680 | 6,8 | 147 | 7,9 | 91,3 % | 20,8 | 33,5 | Mise en route avec effluents bruts (sortie bac tampon) |
| 2ᵉ jour | 2 247 | 6,5 | 172 | 7,8 | 92,4 % | 21,3 | 25,3 | |
| 3ᵉ jour | 2 106 | 6,4 | 279 | 7,7 | 86,8 % | 21,5 | 23 | |
| 4ᵉ jour | 2 534 | 6,4 | 310 | 7,8 | 87,8 % | 20,7 | 23 |
Cette analyse est effectuée par un laboratoire de vérification de l'usine V. Mane Fils. Le but est de séparer les constituants (molécules) d’un mélange selon leur polarité.
On fait circuler un éluant (eau + acide sulfurique à 0,005 mole d’acide sulfurique) à travers une colonne.
Suivant l'affinité des constituants de l’échantillon avec la phase de la colonne, ils seront plus ou moins retenus dans la colonne. Lorsque le constituant passe dans la cellule du réfractomètre, celui-ci mesure la différence d'indice de réfraction entre l’éluant seul et l’éluant ayant entraîné une molécule. Cette différence se traduit sur l’ordinateur par un pic chromatographique.
L'ordinateur calcule ensuite la surface du pic.
À partir de la droite de calibration et de la surface du pic obtenue pour la solution recherchée, nous pouvons déterminer la concentration exacte en éthanol que contient notre solution.
Opérations diverses pour le bon fonctionnement
- Remise à niveau de l’alimentation : on a introduit 60 litres de solution dans le réservoir le premier jour. Le débit d'alimentation étant de 1,17 l/h, la consommation en 24 h est de 1,17 × 24 = 28,1 l. Il faut donc rajouter chaque jour 30 l de solution.
- Vérification des débits : chaque matin et chaque soir, les débits d’alimentation et de recirculation sont vérifiés à l'aide d’une éprouvette graduée. Si le débit n’est pas correct, ajuster le bouton de réglage de course de la pompe doseuse.
- Extraction : lorsque le niveau de boues est trop important dans le décanteur, procéder à une extraction à l'aide d'une vanne située au bas du module de décantation. Le décanteur étant en verre, l’appréciation visuelle est facile.
Réalisation des essais
1ᵉʳ essai : vérification du bon fonctionnement du pilote en présence de boues activées et détermination de la quantité d’air nécessaire à injecter
Le pilote est alimenté en effluent brut issu du bac tampon.
Le module d’aération est ensemencé avec les boues activées du bassin biologique n° 1. L'essai a duré 5 jours. Les analyses et contrôles sont identiques au point précédent.
La quantité d’air nécessaire pour un bon fonctionnement du pilote est d’environ 250 l/h.
Résultats obtenus (cf. tableau 6)
On observe une évolution de la DCO en entrée. L’effluent alimentant le pilote provient du bac tampon ; la fluctuation quotidienne de la pollution explique la variation de la DCO.
Le pH en entrée varie entre 6,4 et 6,8 ; le pH en sortie oscille entre 7,7 et 7,9. Le pH optimum pour le développement bactérien se situe entre 6 et 8 : les conditions sont donc satisfaisantes.
Le rendement épuratoire du pilote se situe entre 87,8 % et 92,4 %. Avec un seul étage de traitement, ce rendement est satisfaisant.
Le pilote fonctionne correctement en présence d'effluents industriels et de boues activées.
2ᵉ essai : vérification de la biodégradabilité de l’éthanol en présence de boues activées
Concentration en éthanol :
La concentration maximale retrouvée en entrée de station est de 978 ppm (moyenne 2004). Un gramme d’éthanol représente environ 1,8 g de DCO.
La concentration en éthanol pour l’alimentation du pilote est de 1 000 ppm (1 g/l). Pour plus de précision, l’éthanol est dosé par chromatographie liquide haute performance (HPLC) au Laboratoire Central d’Analyse de l’entreprise.
La solution préparée comprend de l’eau du robinet et 1 000 mg/l d’éthanol (60 g d’alcool dans 60 l d'eau). Le module d’aération est ensemencé avec les boues activées du bassin.
Tableau 5 : Résultats essai, eau + éthanol + boues activées
| Date | DCO entrée (mg/l) | DCO sortie (mg/l) | Rendement du pilote | Concentration éthanol entrée (ppm) | Concentration éthanol sortie (ppm) | T °C | [O₂] mg/l | Remarque |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1ᵉʳ jour | 1 764 | 7 | 99,6 % | 877 | ND | 19,8 | 3,4 | mise en route, essai avec eau uniquement |
| 2ᵉ jour | 1 820 | 40 | 97,8 % | 893 | ND | 20,3 | 2,53 | |
| 3ᵉ jour | 1 880 | 48 | 97,3 % | 891 | ND | 20,2 | 2,53 | |
| 4ᵉ jour | 1 900 | 55 | 97,2 % | 902 | ND | 20,5 | 2,3 | |
| 5ᵉ jour | 2 100 | 50 | 97,6 % | 947 | ND | 19,9 | 2,53 | eau + éthanol |
biologique n° 1.
L’essai a duré 7 jours.
Résultats obtenus (cf tableau 7)
On peut observer le premier jour une concentration en DCO de 85 mg/l (il s’agit de la DCO résiduelle au sein des boues activées). Le deuxième jour, on introduit une concentration en éthanol de 1 000 ppm (877 ppm après HPLC). On observe une nette diminution de la DCO en sortie.
Pour les jours suivants, le rendement du pilote est d’environ 98 %.
L’éthanol n’est pas détecté en sortie du pilote par HPLC.
Le taux d’oxygène dissous régnant dans le bassin varie entre 2 et 3 mg/l.
Le pilote fonctionne correctement et nous ne retrouvons pas d’éthanol en sortie pilote.
3ᵉ essai : vérification de la biodégradabilité de l’éthanol en solution
L’essai a duré 4 jours.
La solution préparée est composée d’effluent sortie du bac tampon de la station et d’éthanol.
La concentration en DCO du bac tampon se situe, en moyenne, aux alentours de 2 700 mg/l.
On sait qu’un gramme d’éthanol représente environ 1 800 mg de DCO.
Si l’on introduit directement la solution effluent + éthanol, la concentration en DCO serait d’environ 4 500 mg/l. Cette concentration ne serait pas représentative de la pollution traitée sur la station industrielle car trop élevée. De plus, on risque un dysfonctionnement du pilote.
Il faut donc préparer une solution de l’ordre de 2 500 mg/l en DCO avec une concentration en éthanol d’environ 1 000 ppm.
Résultats du 3ᵉ essai (cf tableau 7)
Le rendement épuratoire du pilote est d’environ 93 %. L’éthanol n’est pas détecté par HPLC en sortie du pilote. Le pH reste dans une plage optimale.
Ces résultats confirment le bon fonctionnement du pilote. La pollution de l’effluent du bac tampon est dégradée, de même que l’éthanol. L’essai valide la biodégradabilité de l’éthanol en solution avec de l’effluent industriel en présence de boues activées dans le bassin d’aération.
Les trois essais effectués ont prouvé le bon fonctionnement du pilote et la biodégradabilité de l’éthanol dans les mêmes conditions que la station d’épuration de l’usine. Le pilote fonctionnant très bien, le dernier essai va permettre de connaître le taux de pertes de solvant de la station sur un étage biologique.
4ᵉ essai : détermination du taux de perte maximum sur un étage biologique
Pour pouvoir déterminer la perte atmosphérique en alcool éthylique, il faut procéder à un essai sans boues activées ni effluent industriel.
En effet, comme nous avons pu le constater, l’alcool éthylique est entièrement dégradé lors de la phase d’aération en présence des boues activées. Les résultats de l’essai 3 montrent que l’on n’en retrouve pas en sortie. Cependant, une partie est susceptible de s’évaporer.
Si l’on fait circuler, au sein du pilote, une solution constituée essentiellement d’eau et d’éthanol, ce dernier ne sera pas dégradé par les microorganismes présents dans les boues activées.
Par conséquent, la différence de concentration en éthanol, et en DCO, devrait nous donner la perte atmosphérique maximale de notre alcool éthylique.
Une solution d’éthanol avec une concentration en alcool de 1 000 ppm est introduite dans le réservoir d’entrée du pilote et le bassin d’aération avec cet effluent préparé. Puis l’introduction d’air est réalisée selon le débit de 250 l/h correspondant à une concentration en oxygène dissous de 0,5 à 2,5 mg/l.
On peut observer une concentration en O₂ dissous au sein du module d’aération en présence de boues activées lors des essais précédents. Le débit d’air était donc bien réglé. Il faut donc conserver ce réglage pour être dans les mêmes paramètres que la station. Ici, du fait de l’absence de microorganismes, il n’y a pas de consommation d’oxygène. La solution sera en saturation, d’où des conditions extrêmes par rapport à l’effet de stripping.
Résultats du 4ᵉ essai (cf tableau 8)
Interprétation des résultats (*)
Au début de l’essai on observe une perte en
Tableau 8 : Résultats essai eau + éthanol
Tableau 9 : Résultats essai complémentaire eau + éthanol, débit d’air à 125 l/h
| 1er jour : DCO entrée 1 950 mg/l, pH 7,0 ; DCO sortie 1 876 mg/l, pH 7,7 ; [EtOH] entrée 828 ppm ; [EtOH] sortie 823 ppm ; Perte 0,6 % ; T°C 24,7 °C |
| 2e jour : DCO entrée 1 781 mg/l, pH 7,5 ; DCO sortie 1 689 mg/l, pH 7,8 ; [EtOH] entrée 872 ppm ; [EtOH] sortie 859 ppm ; Perte 1,5 % ; T°C 23,9 °C |
| 3e jour : DCO entrée 1 957 mg/l, pH 7,6 ; DCO sortie 1 848 mg/l, pH 7,9 ; [EtOH] entrée 843 ppm ; [EtOH] sortie 838 ppm ; Perte 1,2 % ; T°C 22,4 °C |
| 4e jour : DCO entrée 1 732 mg/l, pH 7,5 ; DCO sortie 1 642 mg/l, pH 7,8 ; [EtOH] entrée 785 ppm ; [EtOH] sortie 784 ppm ; Perte 0,1 % ; T°C 23,8 °C |
| 5e jour : DCO entrée 2 044 mg/l, pH 7,5 ; DCO sortie 1 830 mg/l, pH 7,7 ; [EtOH] entrée 850 ppm ; [EtOH] sortie 834 ppm ; Perte 1,9 % ; T°C 23,3 °C |
| Moyenne : Perte 1,6 % |
Éthanol négligeable, inférieure à 1 %. En effet, lors de la mise en route du pilote, le mélange eau-éthanol est introduit dans tous les modules, à savoir le bassin d’aération, mais aussi au sein du décanteur. Par conséquent, l’effluent arrivant dans le bac de sortie est autant chargé qu’à l’entrée.
La concentration en oxygène dissous est saturée, étant donné l’absence de microorganismes épurateurs.
Le pourcentage de perte en éthanol est en moyenne de 5,0 %. Ce résultat ne tient pas compte de la valeur du premier jour (0,6 %). On a pu voir, lors des essais précédents, en présence de vie microbienne intense, à savoir les boues activées, que l’éthanol est totalement dégradé. Ce quatrième essai a pu nous démontrer que l’on perd environ 5,0 % d’alcool entre l’entrée du pilote et la sortie. L’essai est réalisé en l’absence de boues activées. L’éthanol n’a donc pas pu être dégradé par les microorganismes.
On peut en conclure que l’alcool ainsi perdu s'est échappé dans l’atmosphère.
Le taux de perte atmosphérique de Composés Organiques Volatils de la station d'épuration s'élève donc à 5,0 %.
Réduction des pertes en COV
Les pertes atmosphériques en Composés Organiques Volatils de la station d’épuration de l’usine peuvent être réduites ponctuellement, notamment lors de seuil d’alerte à l'ozone.
On a vu que l’évaporation de l'alcool est accentuée par le phénomène de stripping au sein des bassins. Lors des essais sur le pilote, le débit d’air était réglé à 250 l/h (soit environ 2,5 mg/l d’oxygène dissous), concentration maximum réglée sur la station. La concentration minimum acceptée dans les bassins est de 0,5 mg/l, soit un débit d’air de 125 l/h. Donc, si l'on diminue l'air dans les bassins, l'évaporation des COV sera normalement moindre. Pour vérifier cette hypothèse, un essai complémentaire peut être réalisé.
Essai complémentaire
Cet essai complémentaire va permettre de savoir si, lorsque l’on diminue l’apport d’air au niveau du bassin d’aération, les pertes en éthanol vont être plus faibles.
Les paramètres de fonctionnement sont identiques, hormis le débit d’air qui est abaissé à 125 l/h.
Une solution d’eau et d’éthanol à une concentration de 1 000 ppm est préparée. Le module d’aération et le décanteur sont remplis avec cette solution.
Résultats de l'essai complémentaire
Les résultats de pertes atmosphériques sont nettement inférieurs aux résultats précédents. Le taux de perte n’excède pas 2 %. La moyenne étant de 1,6 % (ce résultat ne tenant pas compte de la première valeur correspondant à la mise en route du pilote). L’essai nous montre ainsi que l’on peut réduire les émissions de COV en diminuant l'apport d’air au sein des bassins. Cette diminution du débit d'air doit rester à la limite du bon fonctionnement de la station et ne doit donc pas durer trop longtemps (maximum 12 heures).
Ce procédé a l’avantage d’être facile mais ne peut pas être maintenu sur le long terme car le rendement d’épuration risquerait d’être altéré.
Conclusions
L’approche d’une méthodologie sur pilote permet de modéliser les phénomènes de pertes en COV par effet de stripping.
Cette méthode permet de manière simple de reproduire les caractéristiques de l’installation industrielle en tenant compte des paramètres de fonctionnement de l’unité.
Les essais sur le pilote ont ainsi permis de quantifier le taux de perte atmosphérique maximal en Composés Organiques Volatils de la station d’épuration de l’usine Mane qui s’élève à 5,0 %.
C’est ce taux de pertes qui est repris dans le Plan de Gestion des Solvants de l’entreprise.
Références bibliographiques
ADEME Éditions, Angers 1997 : La réduction des émissions de composés organiques volatils dans l’industrie, 180 p.
ADEME Éditions, Angers 2005 : Guide de rédaction – Schéma de Maîtrise des Émissions des Composés Organiques Volatils – Secteur de l'industrie aromatique, 26 p.
Boeglin Jean-Claude (eau), Le Cloirec Pierre (air). Techniques de l’ingénieur. Volume G1 environnement, 2004.
Degrémont, Mémento technique de l’eau, édition du cinquantenaire, 1989, 9e édition.
Edeline F., L'épuration biologique des eaux résiduaires, théorie et technologie. Cebedoc/Liège ; technique & documentation/Paris. 3e édition, 1988, 304 p.
Le Cloirec Pierre, Les Composés Organiques Volatils (COV) dans l’environnement, École des Mines de Nantes, Lavoisier Techniques & Documentation, 1998, 734 p.
