Traitement des eaux industrielles: quelles avancées techniques ?

En milieu rural, le problème du traitement des effluents se pose de manière cruciale pour des petites entreprises souvent incapables de faire face à des investissements importants. C’est pourquoi la plupart des agences de l'eau mettent sur pied des contrats de branche spécifiques, avec financements à l’appui. C’est le cas par exemple de la branche vinicole dans le bassin Rhône-Méditerranée-Corse. Dans le seul département du Gard, la pollution brute (avant traitement) des caves vinicoles, à 80 % sous forme de coopératives, représente 500 000 équivalent-habitants de DBO5, soit 87 % de la pollution brute domestique. 60 % de ces coopératives ont un traitement adéquat - épandage, évaporation naturelle ou traitement biologique - pour 10 % seulement des caves particulières. Plus globalement et pour l’ensemble de son bassin, l’agence de l'eau Rhône-Méditerranée-Corse vient de faire un bilan des efforts réalisés sur les caves viticoles. 1 724 caves - 25 % des industries du bassin - fabriquant plus de 1 500 hectolitres, produisaient 6,5 % de la pollution brute totale, essentiellement en période d’étiage. Des efforts de dépollution ont depuis été réalisés, et se poursuivent avec la mise en place de contrats de branche locaux. Un millier d’établissements doit encore résoudre ses problèmes de pollution, notamment dans le cadre des traitements primaires et des épandages. L’agence de l'eau a favorisé dans nombre de cas la technique d’évaporation. “Lorsque les conditions climatiques le permettent, il est possible de prévoir un traitement par évaporation soit en utilisant des bassins à ciel ouvert, soit par ruissellement sur des structures en nids d’abeilles. Dans le second cas, la superficie nécessaire au traitement est divisée par dix”, remarquent Anne-Marie Levraut, sous-directrice “pollution industrielle” à l'agence de l'eau Rhône-Méditerranée-Corse.

L’évaporation sous vide pour concentrer l’effluent

Plus élaborées, les techniques d’évaporation sous vide permettent d’atteindre une siccité très élevée, de 60 à 80 %, tout en garantissant un condensat exempt de toutes substances et donc recyclable, en l’absence de substances volatiles. “Le principe de l’évaporation sous vide est simple, facile de mise en œuvre et répond a priori au besoin des entreprises mécaniques. Mais en réalité, l’expérience montre qu'il n’est pas toujours pos-

Concentration par évaporation sous vide

Avantages

• - Réduction des volumes polluants à traiter : diminution des coûts de transport et de traitement pour un traitement ex situ.
• - Recyclage potentiel des condensats
• - Valorisation ou recyclage potentiel du concentré
• - Évaporateur avec PAC : possibilité d’atteindre le zéro rejet. Le couplage avec une compression mécanique à vapeur ou une pompe à chaleur rend cette technique encore plus performante sur le plan énergétique.
• - Ratios de consommation énergétique moyens :
  • • 100 à 110 kWh/tonne d'eau évaporée avec une CMV de type Roots, des valeurs plus faibles peuvent être atteintes avec des soufflantes (moins de 50 kWh/t eau évaporée)
  • • 230 à 250 kWh/t eau évaporée avec une PAC
• - Le développement d'une offre de type “catalogue” rend les investissements plus compétitifs et la rentabilité plus rapide

Domaines d'application

• - Multiples. Concernent plusieurs types d’effluents :
  • • traitement des rinçages avec recyclage de l'eau distillée
  • • concentration de bains usés : dégraissage, décapage, cadmiage, …
  • • concentration des éluats de régénération de résines échangeuses d’ions, …
  • • recyclage de l’eau distillée
  • • eaux de lavage et de rinçage provenant d'installations de nettoyage par trempage, jets d'eau ou jets de vapeur, eaux de machine à laver, …
  • • réutilisation du concentrat dans le bain de dépôt (chromage, …)
  • • émulsions huileuses et eaux chargées en hydrocarbures,
  • • concentration des eaux de cabines de peinture

CMV : compression mécanique à vapeur Source : Les rencontres du CETIM : “L'évaporation sous vide et les industries mécaniques”. Saint-Étienne le 21 octobre 1998 - Raphaël Hirtz – EDF Industrie

…sible d’obtenir les performances de traitement requises dans les textes réglementaires pour autoriser le rejet direct”, explique Michel Ganier, du Centre technique des industries mécaniques (CETIM). Pour celles qui ont choisi cette technique, l'avantage est indéniable. C’est le cas de la société des transmissions automatiques (S.T.A.), une filiale de Renault. Cette entreprise souhaitait séparer dans une solution aqueuse l'eau et les produits ayant un point d’ébullition inférieur à celui de l’eau, d'autres produits à concentrer. Le volume à traiter, 10 000 m³/an, nécessitait par ailleurs une installation capable de traiter 2 tonnes à l’heure. Le choix de l’industriel s'est finalement porté sur la compression mécanique à vapeur, la CMV, pour sa faible consommation énergétique et sa fiabilité. Aujourd’hui, le site a divisé par plus de quatre le volume de ses rejets industriels, et a réduit d’environ 95 % la DCO rejetée à la station biologique située en aval.

Dans l'industrie agro-alimentaire, les techniques d’évaporation sous vide sont nettement plus utilisées. “Pour le choix de la compression mécanique de vapeur en industrie agro-alimentaire, il existe un seuil de référence simple. À partir d’une DCO supérieure à 10 000 mg/l, cela vaut le coup d’essayer la CMV. Le gain est de 10 kg de matière sèche. C'est le concentré qui va rentabiliser l'investissement”, souligne Pascal Tharrault, ingénieur process industries agro-alimentaires chez EDF. En théorie, l'évaporation sous vide peut concentrer l'effluent jusqu’à 80 %. En pratique, cela dépend du traitement aval. Lorsque la CMV est couplée à une tour de pulvérisation, l’effluent ne peut être concentré au-delà de 50 %, la pulvérisation étant le facteur limitant.

En amont, la CMV n’a en revanche pas besoin d'un pré-traitement exigeant, ce qui en fait une technologie un peu “passe-partout”.

Des membranes polyvalentes

Séparer, purifier, valoriser et recycler des produits et des molécules en phase liquide, toutes ces possibilités offertes par les membranes contribuent à réduire l'impact des rejets dans l'environnement. Nombre d’industries sont concernées : agro-alimentaires, automobiles et mécaniques, pharmaceutiques et biologiques, papetières, pétrolières, textiles et même nucléaires. “C'est le volume traité plus que les nouvelles applications qui ouvre aujourd’hui de nouveaux horizons aux membranes”, souligne Robert Niay, ingénieur commercial membranes chez USF Memcor. Autrefois confinées au traitement de petits volumes, les membranes sont désormais utilisées pour des débits de centaines de mètres cube par heure. Fréquemment requises pour fabriquer de l’eau de process à partir d'eaux usées, les membranes prennent une position importante sur le marché du traitement d’effluents industriels de grand volume.

Depuis les modules plans originels, la technologie des membranes s'est considérablement améliorée. Des membranes organiques de seconde génération sont arrivées, présentant une meilleure tenue à la température et au pH, mais moins résistantes aux désinfectants chlorés et au compactage mécanique. La dernière génération de membranes, minérales, a une durée de vie multipliée par trois.

Ultrafiltration

Avantages

- Augmentation de la durée de vie du bain de dégraissage, qualité stable du dégraissage.- Réduction des volumes des rejets produits et économie sur les consommables. Retour sur investissement pouvant être inférieur à 1 an, d'une installation d’ultrafiltration.- Cette technique s'adapte davantage aux ateliers intégrés dont la composition des bains de dégraissage évolue peu. Les façonniers ont en effet une activité très diversifiée qui rend plus difficile le fonctionnement.

Domaines d'application

En traitement et revêtements de surface :- régénération des bains de dégraissage ou des bains dégraissants phosphatants- traitement des bains de rinçage- traitement des fluides de coupe- traitement de rejets à forte charge organique

La consommation spécifique est comprise entre 1 et 5 kWh/m³ de perméat. Le débit du perméat varie entre 400 et 2000 l/h/m² de surface.

Source : Les rencontres du CETIM : “L’évaporation sous vide et les industries mécaniques”. Saint-Étienne le 21 octobre 1998 – Raphaël Hirtz – EDF Industrie

Pour un coût évidemment plus élevé. Ces membranes montrent une grande résistance physico-chimique, mécanique et thermique. Elles permettent le décolmatage à contre-courant, présentent un flux élevé ainsi qu'une possibilité de traiter des produits à forte viscosité. Le développement de ce marché a permis à de nombreux constructeurs de proposer toute une gamme de produits. Orélis, anciennement Tech-Sep, s'est par exemple positionné dans l'industrie automobile avec des traitements par ultrafiltration des eaux de rinçage déminéralisées après les bains de peinture par cataphorèse, et par osmose inverse des bains de dégraissage et de phosphatation. Et en cartonnerie, Orélis a choisi de coupler deux techniques membranaires pour traiter les effluents chargés d'encres flexographiques. Une première filtration tangentielle sur membrane minérale Carbosep® pour éliminer les polluants organiques et minéraux, est suivie d'une osmose inverse sur membrane Persep® pour les pigments colorés. L’osmose inverse étant particulièrement sensible à la présence de particules, il est souvent nécessaire de pré-traiter l'eau en amont. « Il y a un véritable enjeu, en terme de durée de vie, à minimiser les nettoyages en osmose inverse », explique Robert Niay.

Tami-Industries, le petit français désormais au troisième rang mondial de la membrane céramique, s’est distingué en créant des membranes planes, Keram Inside®, et des membranes tubulaires à canaux non circulaires, Ceram Inside®. Avantage : une plus grande surface d’échange couplée à une réduction de la surface au sol. Les applications sont diverses : industries agro-alimentaires, bio-industries, chimie et pétrochimie, traitement de l’eau et dépollution industrielle. Reste une interrogation : la membrane constitue-t-elle un bon choix pour recycler un produit ? « Un prix de l'eau inférieur à 4-5 francs ne favorise pas la mise en place de recyclage », remarque Robert Niay. Certaines industries s'y mettent cependant. Dans le domaine brassicole par exemple, la microfiltration tangentielle, encore peu usitée, permettrait la valorisation de sous-produits et la création de nouveaux produits. « Cette technique pourrait intervenir à deux niveaux, note Luc Fillaudeau, du laboratoire “génie des procédés et technologies alimentaires” de l'INRA à Villeneuve d’Ascq. La première serait une alternative technologique aux procédés traditionnels de filtration utilisant des adjuvants de type Kieselguhr, qui posent des problèmes sanitaires, environnementaux et économiques. Les applications visées sont la filtration clarifiante de la bière de garde et la filtration stérilisante, dite stérilisation à froid. La seconde serait la réduc-

Électrolyse

Électrodéposition

Avantages

Recueillir les métaux sous forme métallique et limiter leur concentration dans les eaux usées.

Diminution de la production de boues.

Favorise le fonctionnement de la station de détoxication physico-chimique.

L’installation d’un électrolyseur permet de faire des économies sur :

• - la mise en décharge des boues
• - la redevance métaux lourds
• - la consommation d’eau

Le métal récupéré peut être dans certains cas réutilisé ou valorisé.

Domaines d’application

Bains de rinçage : récupération des métaux précieux et des métaux lourds (Or, Ag, Cu, Cd).

L’électrodéposition n’est pas applicable à tous les bains, car il peut y avoir des réactions concurrentes, comme la réduction d’un autre composé ou un dégagement gazeux. Il est donc conseillé de réaliser un essai de faisabilité au préalable.

Secteur des traitements et revêtements de surfaces :

• - bains de dorure
• - récupération du cuivre
• - récupération de cadmium en milieu cyanuré
• - et plus généralement aux métaux lourds et aux solutions cyanurées.

Source : Les rencontres du CETIM : “L’évaporation sous vide et les industries mécaniques”. Saint-Étienne le 21 octobre 1998 – Raphaël Hirtz – EDF Industrie

Réduction des pertes et des rejets dans le procédé brassicole, en récupérant des extraits brassicoles de fonds de tank de fermentation et de garde, avec des gains de productivité conséquents.

Bactéries gloutonnes pour applications diverses

Les procédés biologiques sont les systèmes les plus économiques, et écologiquement les plus favorables pour l’élimination des matières polluantes. Celui des boues activées est l’un des plus répandus. Il nécessite toutefois de grandes surfaces au sol, et génère souvent des nuisances olfactives importantes. De manière plus générale, les procédés biologiques ne peuvent répondre à toutes les applications. La non-dégradabilité des métaux pourrait de fait être considérée comme insoluble par des techniques biologiques, mais certains constructeurs ont trouvé une parade. Linde commercialise ainsi Metex®, où les métaux lourds s’accumulent dans la biomasse. Interdiction est donc faite d’épandre cette biomasse contaminée qui part directement vers les centres de stockage appropriés. Quelques fabricants préfèrent cependant prélever les métaux avant traitement de l’effluent grâce aux voies électrolytiques, comme le fait USF Perrier avec les systèmes Retec® et Auroclaim®.

Les traitements biologiques sont aujourd’hui optimisés pour des applications bien précises. Air Products a ainsi développé Oxy-Dep™, où l’apport d’oxygène est réglé à la demande, notamment lors d’augmentation de charge saisonnière. En nitrification/dénitrification intensive, une interruption calculée de l’apport d’oxygène, contrôlé par sonde, permet de modifier les réactions bactériennes et d’éliminer toute trace d’oxyde d’azote. Linde a pour sa part développé divers procédés spécifiquement adaptés aux besoins industriels. Dans le système à boues activées Lindox® – déjà développé pour des effluents de l’industrie de la cellulose et du papier, de l’industrie alimentaire et dans la pétrochimie – l’apport d’oxygène est assuré par de l’oxygène pur. Des bioréacteurs couverts à cascade permettent d’assurer une utilisation de 95 % de cet oxygène. L’avantage immédiat est une réduction de 30 à 50 % du volume nécessaire, et de 30 % de l’énergie utilisée.

Lors d’une forte pollution organique, des traitements anaérobies (sans oxygène) sont nécessaires. Lors de ces procédés de méthanisation, la matière carbonée est transformée en méthane sous l’action de bactéries spécifiques. Cette technique s’adapte à tous les effluents très chargés en carbone, mais il faut une DCO supérieure ou égale à 5-6 g/l. Elle permet de réduire de 4 à 5 fois la production de boues par rapport aux procédés aérobie. La maîtrise du dispositif est cependant délicate, mais l’emprise au sol est moins importante. Chaque constructeur propose aujourd’hui une palette de produits adaptés au traitement anaérobie, produisant en général du biogaz utilisé sur des systèmes adjacents de chaleur. Le couplage de réacteurs biologiques et de membranes permet quant à lui de répondre à de nouveaux besoins de l’industrie.

L’industrie agro-alimentaire en termes de réduction d'investissement et de capacité (BRM® de Degrémont, Pléiade® d’Orelis par exemple).

En matière de traitement biologique, les innovations apparaissent désormais dans les applications. C’est ainsi qu’est né le système Mérou®, fruit d'une collaboration entre Labaronne-Citaf et le bureau d’étude rhônalpin Ardi Biosystems. Cette petite station d’épuration mobile associe une série de trois citernes souples : la première servant d’aérateur, la seconde de décanteur et la dernière de silo à boues. Les trois récipients sont reliés entre eux par un assemblage de tuyaux et de pompes. L’originalité de ce procédé breveté tient dans la citerne-aérateur, dont le plancher est muni d’une double membrane micro-perforée et de turbines. L’effluent, pour sa part, rentre par les côtés de la citerne, étant ainsi assuré d’un meilleur brassage.

Ailleurs, c’est la combinaison de diverses techniques qui permet d’obtenir le rendement souhaité. En Artois-Picardie, un industriel fabriquant du sucre à partir de blé avait un problème de DCO en sortie, probablement dû à la présence de polysaccharides. Après le traitement biologique classique pour cette branche industrielle, il rejetait de l’ordre d’une tonne de DCO par jour, une valeur incompatible avec les objectifs imposés par l'agence de l'eau. En combinant le traitement biologique originel à une ozonation et à un second traitement biologique, Degrémont lui a permis depuis l’été dernier d'obtenir une qualité de rejet exceptionnelle. “Cette méthode devrait se généraliser dans les prochaines années”, souligne Régis Mathian, responsable de la mission industrie de l'agence de l'eau Artois-Picardie, qui met en avant les autres réalisations du même type en cours pour des industriels de la chimie fine.

Alba S.A. a pour sa part développé au travers de Stahlermatic® un système combinant le procédé des boues activées et celui des cultures fixées. Le dispositif rotatif per-

Électrocoagulation classique qui nécessite un ajout de réactifs

Avantages

Mise en œuvre en complément ou en substitution d'une station de détoxication.

Quantité de boues produites plus faible que par un traitement physico-chimique classique utilisant du lait de chaux.

Coûts de fonctionnement souvent plus faibles que ceux d'une station classique.

Domaines d’application

Effluents industriels liquides : élimination des métaux lourds (Cr, Ni, Cu, Zn, Sn, Pb, Cd), des matières en suspension et des colloïdes, des hydrocarbures, des colorants ou des pigments.

Cassage des émulsions (huiles de coupe).

Procédés d'électrocoagulation, électrodes à plaques dans le traitement de surfaces :

- les eaux de rinçage après dégraissage ou décapage

- les bains de passivation

- les bains de dépôt (électrozingage, électrocuivrage...)

Source : Les rencontres du CETIM : “L’évaporation sous vide et les industries mécaniques”. Saint-Étienne le 21 octobre 1998 - Raphaël Hirtz - EDF Industrie

mettant cet assemblage favorise le maintien d’une biomasse fixée sur et à l'intérieur des diffuseurs, et l'aération de tout le bassin biologique avec un bon rendement. Proserpol a choisi de coupler les voies aérobies et anaérobies pour traiter les effluents de production de polyéthylène phtalate (PET) (cf. encadré), tandis que Labo Bugs vient de recevoir l’Oscar 1998 d’Ille-et-Vilaine pour ses réacteurs biologiques adaptés à des petits débits.

Épuration biologique des effluents par des végétaux supérieurs, déjà utilisée en traitement tertiaire dans de petites stations d’épuration urbaines, l’est beaucoup plus rarement en aval d’industries. Dans le département du Nord, une association tente cependant d’en développer l’usage. L’Association de Développement des Cultures Énergétiques, l’ADECE, a choisi d’importer une technique suédoise en épurant des effluents industriels sur des parcelles de saules. Croissance rapide, faible coût à l’achat et à l’entretien, investissement rentabilisé par la vente de bois : ces taillis à très courte rotation commencent à avoir du succès dans les industries dotées d’effluents liquides non toxiques, en l’occurrence les industries agro-alimentaires. À Orchies dans le Nord, Leroux S.A. répète depuis peu ses 30 000 m³ d’eaux usées chargées en sucre sur 38 hectares seulement de sylvicultures. En trois ans, le bois est suffisamment développé pour être destiné aux chaudières régionales, ici celles d’un centre de personnes handicapées. Pour l’entreprise, ce choix ne présente que des avantages. Nul besoin en effet de se raccorder à la station d’épuration municipale, incapable de traiter une telle demande.

Avantages généraux des techniques évaporatoires

• Petites capacités PAC
• Petites capacités de CMV (< 300 l/h)
• Moyennes et grandes capacités CMV (> 300 l/h)

• Consommation énergétique plus faible que l'évaporation classique (700 kWh/tEE)
• 3 fois moins – 8 fois moins – 35 fois moins

• Fort taux de réduction de volume (Fev) compris entre 15 et 100 suivant l'effluent à traiter et la technologie adaptée
• Automatisation de ces matériels
• +++ Maintenance très limitée des pompes
• Portage de l'offre diversifiée dans la plupart des gammes

• Engouement croissant pour ces techniques de concentration à la fois chez les industriels, les agences de l'eau, les centres techniques, …
• Autonomie énergétique possible pour les moyennes capacités
• Facilité d’alimentation énergétique (une simple prise électrique suffit)
• Fev bien maîtrisé : adaptabilité aux variations de débit
• Standardisation, compacité

Source : Les rencontres du CETIM : “L’évaporation sous vide et les industries mécaniques”, Saint-Étienne le 21 octobre 1998 – Isabelle Hita et Jean-Louis Perreux – EDF-DER

chimique en oxygène, pas de construction de station d’épuration in situ générant des boues à traiter, et aucun risque de contamination de la chaîne alimentaire puisque le saule part en bois de chauffe.

À Boiry dans le Pas-de-Calais, le géant sucrier Eridiana-Béghin-Say a pour sa part choisi ce qu'il appelle la “fertirrigation”, à savoir l’épandage de ses eaux usées sur les cultures voisines de pommes de terre, de betteraves ou de chaumes de blé. « Dès le début, ce projet présentait un intérêt sur les déficits hydriques de cultures de pommes de terre, avec des garanties requises par les points de vente alimentaire (grandes surfaces) », explique Xavier Guilbert, maire d'Ablainzevelle et agriculteur concerné par cette opération. Au sein de l'usine agro-alimentaire, les 600 000 m³ annuels d’eaux usées sont aérées et décantées pour supprimer les odeurs, remonter le pH et abattre la demande chimique en oxygène. Véhiculées dans les champs avoisinants par des tuyaux de quelques dizaines de kilomètres de long, elles sont épandues pendant dix à douze semaines estivales. La Société d’Études et de Développement pour l’Environnement, SEDE, sert d’intermédiaire entre l’industriel et les agriculteurs au travers d’un plan d’épandage strictement encadré. Une charte complète le tout, et permet à chacun, administration, industriel ou agriculteur, de savoir à tout moment la quantité épandue dans un endroit donné.

Le marché du traitement des effluents s'est aussi enrichi de produits, chimiques ou biologiques. BetzDearborn s'est intéressé aux huiles et aux graisses avec les polymères Novus® qui augmentent la teneur des boues traitées en matière sèche. Pour neutraliser les effluents alcalins, Messer commercialise un procédé basé sur l’injection de CO₂ dans les effluents industriels. De cette manière, nul ne court le risque d’intoxication par manipulation d’acide fort ou par émanation de vapeurs nocives. Ce procédé offre une régulation très fine du pH, et aucun risque de suracidification. Dans les rejets, pas de formation de sulfates ou de chlorures. En matière de produits biologiques, Labo Bugs commercialise des enzymes et micro-organismes aptes à améliorer le rendement des traitements. L’ajout de bactéries dotées d'un plasmide (matériel génétique extra-chromosomique) tel qu’il leur confère une résistance à des effluents chargés en métaux lourds, a même été étudié par le laboratoire de microbiologie sis au centre des sciences de l’environnement, à Metz. Résultat négatif, car les bactéries naturelles véhiculées par l’effluent présentent un rendement identique.

À lire :

• Les rencontres de l’Agence de l’eau Rhône-Méditerranée-Corse : “Traiter la pollution non domestique en zone rurale”. Beaune le 19 janvier 1999. Nîmes le 28 janvier 1999.
• Les rencontres du CETIM : “L’évaporation sous vide et les industries mécaniques”. Saint-Étienne le 21 octobre 1998.

Séchage de boues par PAC

Avantages

• Temps de retour pouvant être inférieur à 2 ans en fonction des quantités de boues produites et du coût de la mise en décharge
• – diminution du poids des boues qui entraîne la réduction des coûts liés au transport et à la mise en décharge
• – réponse à la réglementation car la siccité obtenue est supérieure à 35 %
• – faible consommation énergétique : entre 0,4 et 0,6 kWh/t eau évaporée

Domaines d’application

Cette technique s'applique surtout sur les boues contenant des hydroxydes métalliques en sortie de filtre presse ou d'une autre technique de déshydratation (centrifugation, filtre à bande, …)

PAC : pompe à chaleur

Source : Les rencontres du CETIM : “L’évaporation sous vide et les industries mécaniques”, Saint-Étienne le 21 octobre 1998 – Raphaël Hirtz – EDF Industrie