Réflexions sur le recyclage de l'eau dans l'industrie et la valorisation

Nous savons que les réserves mondiales en matières premières de haute valeur sont limitées. La carence de l'un de ces produits pourrait avoir pour l'homme des conséquences désagréables. En plus d'un emploi dosé et réfléchi de certaines de ces matières premières on cherche, avec plus ou moins de succès, à récupérer les produits après usage pour les réintégrer dans le circuit de production. Jusqu'à ce jour, l'élimination des déchets s'est surtout faite par mise à la décharge. Ce faisant on soutire toutefois une part importante des matières résiduaires du circuit industriel.

[Figure : Principe de la variation de l'entropie des matériaux dans le cycle production-consommation du papier et du carton]

Si on arrive à récupérer le plus possible de substances résiduaires et à les réutiliser sous la forme de matières premières, on réduit du même coup la surcharge de l'environnement. Les gros dommages à l'environnement, provoqués dans le monde entier par l'idéologie irréfléchie des objets à jeter après usage, de même que les estimations erronées relatives à la complexité des systèmes écologiques et l'accroissement de la population, ont eu comme résultat que les besoins vitaux de l'homme – à savoir la nourriture et l'eau – ne peuvent plus être satisfaits à long terme par les méthodes du passé.

W. STUMM et J. DAVIS ont cherché à déterminer s'il existe des limites au recyclage. L’étude en question prouve que la consommation d’énergie est le facteur-limite du recyclage. Selon ces auteurs, il est vrai que l'on dispose à long terme de suffisamment d’énergie. C'est plutôt la répartition de l'énergie qui impose des limites. Bien qu'un recyclage des matières de valeur (énergie, eau, matières brutes, etc.) permette un contrôle des réserves, les besoins croissants d’énergie requis à cet effet s'avèrent toutefois désavantageux et limitatifs. La récupération de matières brutes d'un système à haute entropie implique une dépense d'énergie considérable (fig. 1). C'est pour cela que pour l'assainissement des industries produisant des eaux résiduaires et avant le raccordement à une station d'épuration communale, on a recours à des solutions remplaçant le mélange des différentes eaux usées par le captage et le traitement sur place des eaux résiduaires hautement concentrées.

ASPECTS DU RECYCLAGE DE L'EAU DANS L'INDUSTRIE DU PAPIER

Dans l'industrie du papier, le bilan écologique est sans doute positif dans son ensemble, mais on rencontre en l’établissant un problème des plus importants : celui de la réduction des quantités d'eaux usées et de leur épuration. La chaleur perdue, les gaz d’échappement et le bruit sont là des facteurs de bien moindre importance.

Relations entre la fabrique et son environnement

[Figure : Relations entre la fabrique et son environnement (Figure 2)]

En vue d'une mise en valeur des déchets, il s'agit d’extraire de l'eau usée autant de matières en suspension que possible pour les réutiliser comme matières premières dans le procédé de fabrication. À côté des problèmes d'ordre économique, il y a lieu de se rendre maître de toute une série de difficultés techniques. Selon STUMM et DAVIS (1), un circuit complètement fermé en ce qui concerne tous les composants est impossible, malgré les différents procédés connus permettant un recyclage. Par définition, il faut distinguer entre le recyclage en fabrique et le rapport fabrique-environnement (fig. 2).

Les machines à papier disposent d'un circuit interne — le circuit primaire (fig. 3). Dans ce système de recyclage, une partie de l'eau de registre est utilisée pour la préparation de la charge. La partie qui n'est pas reconduite dans le circuit primaire arrive dans le circuit secondaire où, par exemple dans les séparateurs à action rapide, les fibres ainsi que les matériaux excédentaires et ceux de remplissage sont séparés (2).

[Figure : Installation de production — Unités de récupération (Figure 3)]

Une partie de l'eau ainsi épurée peut être collectée et réutilisée dans la préparation d'une charge ultérieure. Un refoulement total dans la production n'est pas possible en raison des fibres et additifs encore présents. La réutilisation de l'eau dans les buses anti-écume, les injections en bordure, comme l'eau d'étanchéité ou dans les tuyaux à jet haute pression, impose un traitement ultérieur de l’eau ou, si cette dernière est évacuée à l’égout, un apport complémentaire d'eau fraîche.

L'adjonction d'un cycle tertiaire permettrait de réduire la consommation spécifique d'eau de 40 litres environ par kilo de papier à quelque 8 l/kg. Mais une telle intégration d'un circuit tertiaire n'est pas sans problème et soulève diverses questions :

• - Le circuit tertiaire peut-il causer un amoindrissement de la qualité du produit ou du potentiel de production ?
• - Aura-t-on des difficultés au lavage des tamis ou des feutres ? (Ce problème est considéré généralement comme étant sans grande importance).
• - Une augmentation des températures dans le flux en recyclage semble avoir lieu seulement dans les installations avec de petits bassins de rétention, c'est-à-dire avec des écoulements rapides.
• - Un problème difficile à résoudre paraît être l'élévation de la teneur en sels due à l’évaporation de l'eau, à ce qui se dissout à chaque charge, à la variation du pH, aux substances dosées pendant la production, qui ont lieu lors de l'installation d'une station d'épuration d'eau (3). La matière première utilisée jouera aussi un rôle. Tout cela causera des problèmes se résumant à une corrosion de l'acier, des pièces en fonte grise et du béton.
• - Enfin, l'activité biologique est, elle aussi, source de problèmes dans les circuits fermés. Comme tous les éléments nutritifs sont présents, la possibilité de formation de micro-organismes existe dans le système.

Il résulte de ce qui précède que des perturbations peuvent se produire dans la production, par exemple par suite de l'obstruction des tuyères. Le système comporte en effet un bon nombre de « zones mortes », dans lesquelles les boues biologiques aérobies peuvent former des dépôts ; dès que ces couches sont suffisamment épaisses, les zones inférieures se trouvent en milieu anaérobie où les sulfates, qui y sont en abondance, sont réduits par l'action de bactéries, donnant lieu à un dégagement de composants soufrés hautement corrosifs (II). On peut mesurer dans des systèmes en circuit fermé des teneurs en acide sulfhydrique allant jusqu’à 6 mg/l et même plus.

La corrosion dépend très fortement du pH. Des mesures de corrosion faites dans un circuit fermé avec une teneur en soufre (— II) de 5 ppm ont montré que l'acier inoxydable ne subit aucune trace de corrosion, tandis qu'on a pu constater une forte corrosion sur un acier ordinaire, dans les mêmes conditions (4). Dans cet exemple, les 70 % de la corrosion décelée sont dus à la présence de sulfure, tandis que la part restante, soit 30 %, a en grande partie pour cause les acides organiques produits par des micro-organismes présents, facultativement ou obligatoirement anaérobies.

La solution des deux problèmes essentiels, c'est-à-dire la teneur en sels et l'activité biologique, peut faire l'objet des suggestions suivantes (5) :

Pour maintenir la charge en sels dans les limites admissibles, on dispose de moyens technologiques appropriés, tels que l'échangeur d’ions ou l'osmose inverse, avec lesquels on peut espérer ainsi un abaissement de la formation d'hydrogène sulfureux. Mais si l'on considère que, dans le recyclage de l'eau, c'est la consommation d’énergie qui est le facteur limitatif, une telle solution paraît être très discutable, d'autant plus que les appareillages nécessaires n'apportent aucun avantage supplémentaire pour le procédé de production proprement dit. Il est vrai qu'il est possible d’abaisser le potentiel de la corrosion par une correction du pH ; toutefois, pour presque toutes

les valeurs du pH neutres, les micro-organismes trouvent des conditions de vie idéales, ce qui n'est pas souhaitable.

Il en résulte une plus intense formation de masse gélatineuse et, en un endroit quelconque du circuit, en milieu acide, une production renouvelée d'hydrogène sulfuré. D'autre part, une correction du pH engendre alors une nouvelle charge en sels. Il faudrait que la conséquence de cette réduction de la charge en sels soit portée du côté « production ». Abstraction faite du problème d'odeurs existant, la corrosion peut être fortement réduite par la pose de tuyauteries inoxydables et d'autres composants. Et pour diminuer la bio-activité, on dispose de moyens utilisables en pratique (6).

Un nouveau procédé ayant pour but de résoudre de tels problèmes consisterait à introduire un système biologique aérobie dans le circuit (7). Il est ainsi possible de réduire suffisamment la part en carbone, azote et phosphate biologiquement utilisable dans les eaux résiduaires et recyclées, pour éviter l'accroissement anaérobie postérieur et le dégagement de H₂S comme on l'a décrit plus haut. Néanmoins, il reste à contrôler si un système biologique peut vraiment être mis en action malgré l'augmentation des sels en solution. Des comparaisons faites entre la part restante d'eau résiduaire et le circuit d'eau de deux fabriques de carton à programme de fabrication identique n'ont pas donné lieu à des divergences notables (7). On n'a pas constaté d'inhibition de l'activité biologique dans le circuit d'eau.

De même, la fermeture du circuit n'a pas conduit à un enrichissement sensible en phosphates et produits azotés, car, par l'adjonction de ces substances, on a observé une augmentation considérable de l'activité biologique. On a remarqué que les deux sortes d'eau ont été sujettes, également dans les conditions anaérobies, à une dégradation importante du carbone en solution. La fermeture du circuit n'a, par conséquent, pas apporté de changement fondamental des phénomènes biologiques, même anaérobies.

AUTRES EXEMPLES : DANS LES INDUSTRIES TEXTILES

L'économie en eau résultant d'un recyclage plus poussé trouve aussi son importance dans l'industrie textile. Lors du traitement de la laine, on a besoin de 600 l d'eau en moyenne par kilo de laine, alors que pour le traitement de finissage du coton, il faut compter, en moyenne, avec 350 l par kilo de coton. D'ailleurs, la consommation en eau est très variable au cours des différentes opérations de traitement :

Processus	Laine	Coton
Nettoyages préliminaires	70 %	32 %
Teinture	5 %	53 %
Mercerisage		10 %
Carbonisage	25 %
Impression		5 %
Total	100 %	100 %

Selon les travaux de STUMM et DAVIS (1), c'est particulièrement au cours de telles opérations que s'effectue l'économie d'eau, respectivement le traitement des eaux résiduaires.

On cherche donc, d'une part, à introduire des méthodes de traitement qui nécessitent moins d'eau et, d'autre part, à récupérer séparément les eaux résiduaires en tenant compte de leur degré de pollution.

On peut par exemple traiter systématiquement par adsorption des eaux résiduaires déterminées, chargées de matières colorantes. (Voir à ce sujet la fig. 4.)

Il faut toutefois tenir compte que, dans cet exemple aussi, un recyclage à 100 % n'est pas possible. Environ 20 % de l'eau de production doivent être remplacés par de l'eau fraîche.

LA RÉCUPÉRATION DE MATIÈRES DE VALEUR CONTENUES DANS LES RÉSIDUS

Des transformations particulières sont apparues récemment dans la fabrication du papier, en ce sens que l'on ne se borne plus à appliquer des mesures restreignant la consommation de l'eau. C'est une récupération des matériaux qui, aujourd'hui, a été ajoutée ; par exemple, les fibres, dont la réutilisation peut avoir des répercussions positives sur les prix de revient. Pour éliminer les diverses substances, le plus souvent inorganiques, des eaux résiduaires, on se sert normalement de procédés physico-chimiques ; par exemple, de la flotation par air dissous (D.A.F.), qui permet de séparer et de récupérer les fibres qui ont traversé les mailles du tamis d'une machine à papier. Les fibres sont ainsi de nouveau disponibles sous la forme de matière brute.

Dans le cadre du traitement d'eaux résiduaires fortement polluées, que ce soit pour l'élimination des matières nocives ou en vue d'une récupération plus poussée des substances contenues, on donnera la préférence à la technique de l'épuration biologique. On va ainsi dans le sens d'une production de protéines au moyen de la biologie par boues activées, car un remplacement partiel des protéines classiques par des protéines microbiennes est aujourd'hui tout à fait envisageable. La plus grande part des protéines bactériennes produites aujourd'hui provient de la production de « SCP » (single cell protein = protéine d'unicellulaires) de matières premières qualifiées de bon marché, telles que le pétrole, le méthane, le méthanol ou la cellulose. Il existe déjà, pour ces matières premières, de grandes unités de production.

Certes, la voie de la récupération de SCP à partir de certaines eaux industrielles est encore longue. Les études de J. M. HARKIN prouvent cependant que les protéines ainsi obtenues peuvent être données sans crainte comme fourrage à des animaux (8).

[Figure 5 : Performance d’aérateurs et de fermenteurs – valeurs optimales rapportées à une eau moyennement usée de 79/1 DBO5.]

Par suite de la valeur limitée du transfert d’oxygène dans les systèmes biologiques conventionnels, ces derniers ne trouveront guère de possibilité d'emploi. Les procédés biologiques exigent un contrôle beaucoup plus sévère que ceux pratiqués de nos jours. La décomposition microbienne ou la production microbienne de protéines peut se faire dans des fermenteurs. Ces appareils garantissent l'épuration d'eaux résiduaires extrêmement polluées avec une DBO5 de plusieurs milliers de mg/l. L'amélioration du transfert d'oxygène entraîne cependant une consommation accrue d’énergie.

Ainsi que le montre la figure 5, des systèmes d'alimentation en oxygène doivent être développés de façon à assurer un bon rendement à la dégradation, tout en ayant des frais de fonctionnement modérés et en étant faciles à entretenir.

On obtient ainsi la possibilité d'épurer même des eaux résiduaires extrêmement polluées, car le haut degré d'activité biologique permet un volume de construction et des frais d'exploitation acceptables. Des systèmes de commande et de régulation des paramètres décisifs pour le déroulement de procédés microbiologiques et l'emploi de calculatrices permettront, dans l'avenir, d'obtenir des améliorations ultérieures et d'autres possibilités d'utilisation.

Les nouvelles alarmantes de ces derniers temps relatives à l'état qualitatif des produits de la mer, tels ceux de la Méditerranée, détériorée en partie par l'activité humaine ou le fait de la limite de l'apport de nouvelles surfaces cultivables à partir de territoires désertiques, obligent à chercher de nouvelles sources d'approvisionnement en produits alimentaires. Il convient de jeter un coup d'œil tout particulier sur les micro-organismes qui sont traités aujourd'hui pratiquement comme des déchets. Il s'agit en réalité des boues activées de stations d'épuration, de micro-organismes récupérés dans les rejets de fabrication industrielle, comme par exemple dans la production d'antibiotiques.

On peut très vraisemblablement admettre que le pétrole fait partie des produits bruts qui, dans un proche avenir, seront déclarés être des « produits rares ». Les sources de matières premières que la nature se charge de reconstituer constamment ont des chances à plus long terme d’être plus complètement utilisées. Parmi celles-là se trouvent, par exemple, la cellulose qui est extraite du bois et d'autres plantes.

DANGERS DANS L'UTILISATION DES BOUES ACTIVÉES DES STATIONS D'ÉPURATION BIOLOGIQUES

Les protéines des boues activées des stations d’épuration des eaux résiduaires biologiques qui sont le fruit de cultures mixtes comprenant des bactéries, micromycètes, protozoaires, ciliés, etc., ont des compositions variables, suivant le genre et la quantité des matières polluantes contenues dans les eaux usées à épurer. (Les technologies utilisées pour la fabrication de S.C.P., à partir, par exemple, de n-alcanes provenant du pétrole, produisent une masse biologique unifiée à composition définie.) C’est pourquoi l'affouragement direct avec des boues activées provenant d'une épuration biologique normale n'est pas possible.

Selon les informations de l'Institut universitaire de Stuttgart, s'occupant de l'alimentation en eau des agglomérations, la teneur en protéines brutes d’une boue activée peut, par exemple, être calculée selon la formule :

Prot. (%) = 48,13 – Brg 0,061

Brg = charge de la boue en DBO5 par kg de matière sèche,

ce qui signifie que, même pour des stations d'épuration communales ayant une charge en DBO5 des boues relativement faible, par exemple 0,1 kg DBO5/kg TS·d, on atteint une teneur en protéines brutes des boues activées de près de 42 %.

Toutefois, il est une autre raison pour laquelle l'utilisation directe de boue activée provenant de stations d’épuration aux fins d'affouragement n'est pas absolument recommandable.

Les eaux résiduaires contiennent en effet, non seulement des substances biodégradables, mais aussi, selon les industries et unités de productions environnantes, une part plus ou moins importante de métaux lourds et de matières difficilement dégradables. Parmi celles-ci se trouvent, en particulier, toute une série de produits phytosanitaires, insecticides, pesticides, etc. Ces substances parviennent également à la station d'épuration et, dans de nombreux cas, elles ne sont pas éliminées par les micro-organismes ; leur concentration augmente dans ceux-ci.

En donnant directement comme fourrage une telle boue activée, les matières nocives qui s'y sont accumulées seraient réintroduites sans aucun détour dans la chaîne alimentaire et nuiraient, une fois de plus, à l'homme.

Ces matières reviennent forcément dans la chaîne alimentaire, même si les boues ne sont utilisées que comme engrais pour les plantes fourragères. L'emploi de la boue comme engrais prolonge pourtant le temps disponible à leur dégradation et donne une possibilité ultérieure de réduction de la concentration en matières nocives difficilement décomposables par des micro-organismes.

véritables réactions de dégradation qui les transformeraient en produits non dangereux.

Il importe donc d’être particulièrement prudent dans le recyclage de la masse biologique, car dans tous les cas, que ce soit comme engrais ou directement comme fourrage, les effets directs ou indirects ont finalement une répercussion sur la santé humaine et, partant, sur l'existence du genre humain.

CONCLUSIONS

Il existe donc une différence qualitative entre le recyclage de matières fibreuses, par exemple dans l'industrie du papier, où cela conduit d'abord, dans le cas le plus défavorable, « seulement » à une dégradation du produit papier, et le recyclage de la masse biologique, où l'ultime conséquence concerne toujours la santé de l'homme.

Cela ne signifie pas qu'il faille par principe renoncer au recyclage de la masse biologique, mais seulement que de telles idées et conceptions doivent être réexaminées dans chaque cas particulier, selon les critères de la prudence, de la responsabilité et de la minutie.

C'est ainsi qu'il faut, par exemple, considérer comme très problématiques de nouveaux essais (9) ayant pour but la recherche de l'emploi de masse biologique à partir de la production d'antibiotiques comme engrais, malgré le résultat possible et très encourageant de 3 – 6,5 % de teneur en azote. Ceci est moins attribuable au danger de création d'un organisme hautement sélectionné qu'au danger d'enrichissement en micro-organismes résistants à cet antibiotique, comme aussi à la présence de restes d'antibiotiques dans la masse biologique. La recherche la plus moderne a démontré qu'il est fort possible que certaines propriétés de résistance puissent être transmises d'un micro-organisme à d'autres, qui, eux, ne possédaient pas encore cette résistance. Le danger proprement dit de telles expériences réside en somme dans la possibilité bien réelle que l'effet du produit même, l’antibiotique, soit de nouveau partiellement anéanti par l'utilisation des déchets de la production de l'antibiotique lui-même.

Dans le cadre de la discussion des possibilités de recyclage, on n’oubliera pas la haute valeur d’engrais et la valeur nutritive des quantités énormes de masses biologiques, produits secondaires de l'industrie pharmaceutique, ainsi que de la technologie de l'environnement.

Toutefois, comme le recyclage de tels produits touche par la chaîne alimentaire les êtres humains dans leur existence même, tous les projets de ce genre doivent être contrôlés minutieusement et très soigneusement quant à leurs effets secondaires éventuels, à courte et à longue échéance…

Dr. B. MORGELI – J. GNIESER.

BIBLIOGRAPHIE

1. 1. STUMM (W.), DAVIS (W. J.) : Kann Recycling die Umweltbeeinträchtigungen mindern? Separatum Nr. 488, EAWAG, ETH Zurich (1974).
2. 2. BRECHT (W.), DALPKE (H. L.), BORNER (F.) : Geschlossene Kreisläufe in weiteren Altpapierverarbeitenden Papierfabriken. Wbl. für Papierfabrikation 7, 223 (1974).
3. 3. BRECHT (W.), DALPKE (H. L.) : Der geschlossene Wasserkreislauf in grundsätzlicher Betrachtung. Wbl. für Papierfabrikation, 8, 295 (1975).
4. 4. SURY (P.), HILTBRUNNER (K.), MORGELI (B.) : Untersuchungen zur Stahlkorrosion bei Wasserkreislautschliessung in der Papierfabrikation. Wbl. für Papierfabrikation (1978).
5. 5. MORGELI (B.) : New aspects of closed processing circuits in the paper and paperboard industry. Paper, vol. 187, n° 2 (1975).
6. 6. SIRPI (M.) : Prestazione degli auxiliari battericidi nelle acque di fabbricazione. Ind. carta, 13, 247 (1975) Nr. 6.
7. 7. MORGELI (B.), GNIESER (J.) : Biologisches Verfahren zur Abwasser- und Abfallaufbereitung am Beispiel der Papierindustrie. Technische Rundschau Sulzer 29, S. 85-98 (1976).
8. 8. HARKIN (J. M.), CRAWFORD (D. L.), McCOY (E.) : Bacterial protein from pulps and paper mill sludge. Tappi, vol. 51, No. 3 (1975).
9. 9. « Bild der Wissenschaft », Akzent, Nr. 1 (1978) S. 1.