Traitement physico-chimique

 

 

Traitement primaire/physico-chimique

 

I. Traitement mécanique

 

Avant le traitement physico-chimique, un pré-traitement mécanique est nécessaire afin d'éliminer la majorité des déchets grossiers grâce à l'utilisation de dégrilleurs et de tamis. Nous n'avons pas dimensionné ces installations mais nous avons quand même essayé de trouver des rendements d'élimination de pollutions. Les particules qui peuvent se retrouver dans les effluents de tanneries rassemblent essentiellement des poils, des morceaux de peaux, des saletés. Suite à nos recherches bibliographiques, nous avons seulement trouvé des rendements d'élimination pour des effluents d'abattoirs. Nous avons alors fait l'hypothèse que ces rendements seraient identiques pour des effluents de tanneries. Le tableau ci-dessous rapporte les données relevées pour les rejets d'abattoirs (Source : Etude des pré-traitements compacts basés uniquement sur le tamisage fin, Ministère de l’Agriculture, de l’Alimentation, de la Pêche et des Affaires rurales, FNDAE n°28) .

 

Type d'effluent (tamis de maille 0,5 à 1mm) Rendement MES (%) Rendement DCO (%)
Abattoirs 50

25

Tableau 11 : Rendements du tamisage sur des effluents d'abattoirs

 

Suite à ce traitement mécanique, nous avons refait un bilan des différentes pollutions afin de nous rendre compte de ce qu'il restait à éliminer.

 

  Concentration initiale (g/L) % d'élimination Concentration après dégrillage (g/L)
DBO 5 jours à 20°C (total) (mg/L) 3,2   3,2
DCO (total) (mg/L) 8,5 25 6,4
Sulfures résiduels (mg/L) 0,013   0,013
Total des Solides (TS) (mg/L) 28,9   26,1
Total des Solides dissous (TSD) (mg/L) 23,3   23,3
Solides en suspension (SS) (mg/L) 5,6 50 2,8
Chlorures (Cl-) (mg/L) 11,3   11,3
Sulfates (SO42-) (mg/L) 3,5   3,5
Chrome total résiduel (Cr) (mg/L) 0,013   0,013

Tableau 12 : Composition des eaux usées après tamisage (en g/L)

 

II. Bassin d'égalisation

 

Après ce premier traitement mécanique, l'ensemble des effluents est mélangé dans un bassin d'égalisation, retenant la totalité des eaux usées qui s’écoulent en une journée, ce qui permet d’obtenir un effluent parfaitement homogénéisé, mais aussi de réguler le débit à une valeur constante et indépendante des écoulements des tanneries. Généralement, afin d'obtenir un mélange homogène et d'éviter les dépôts de matières décantables, il est nécessaire d'assurer un brassage vigoureux  de la masse liquide ainsi qu’une légère aération pour éviter la formation d’odeurs. Cependant, étant donné le débit élevé d'eaux usées que nous traitons, nous avons estimé que le simple écoulement des eaux permettrait un mélange suffisant des différents effluents.

Le débit à la sortie du bassin d'égalisation sera constant et sera fixé en fonction du débit journalier d'effluents de tanneries qui est de $\underline{Q=7140\ m^3/j}$ soit $\underline{Q=0,083\ m^3/s}$.

En ce qui concerne le volume de ce bassin, par sécurité, nous l'avons dimensionné pour qu'il puisse contenir 150% du volume total d'effluents par jour, ce qui donne un volume de $V=150\%\times 7140=\color{red}{10710\ m^3}$.

La forme du bassin d'égalisation a été choisie circulaire pour que le mélange soit le plus efficace possible. La hauteur (profondeur en réalité) a été fixée arbitrairement à 5 mètres, ce qui entraîne une surface de $S=\frac{V}{H}=\frac{10710}{5}=\underline{2142\ m^2}$ et donc un diamètre de $D=\sqrt{(\frac{{4}\times{S}}{\pi})}=\sqrt{(\frac{4\times2142}{\pi})}=\underline{52,2\ m}$.

Le temps de séjour dans le bassin d'égalisation est alors de $t=\frac {V}{Q}=\frac {10710}{\frac{7140}{24}}= \color{red}{36\ h}$.

En pratique, le bassin d'égalisation permet, en plus d'homogénéiser le mélange, de réguler son pH par ajout de chaux ou d'acide sulfurique selon le pH en entrée (mesures régulières sur place) et selon le pH optimal de l'étape suivante de coagulation/floculation. Dans notre travail, nous avons choisi de ne pas calculer le pH réel du mélange des effluents car il s'agirait d'un travail fastidieux et qui ne nous est pas d'un grand interêt pour notre étude. 

 

II. Traitement physico-chimique par coagulation-floculation

 

La coagulation/floculation est un procédé de traitement physico-chimique d’épuration de l’eau, utilisé pour le  traitement d'eaux usées.

Les particules colloïdales ayant un diamètre très faible (les fines) et étant chargées électronégativement (ce qui engendre une répulsion intercolloïdale) ont une vitesse de sédimentation extrêmement faible : c’est à dire que les polluants contenus dans l’eau se repoussent et ne décantent pas naturellement.

La coagulation/floculation permet donc de pallier à ce problème :

  1. l’adjonction de coagulant ainsi qu’une agitation rapide du volume à traiter, suppriment les répulsions intercolloïdales et permet aux colloïdes de se rencontrer. C’est la coagulation.
  2. l’adjonction de floculant ainsi qu’une agitation lente du volume à traiter, provoquent l’agglomération des colloïdes se transformant dès lors en une masse suffisante appelé “floc” permettant la sédimentation  nécessaire pour le traitement. C’est la floculation.

Le schéma global du traitement primaire qui met en jeu le procédé de coagulation/floculation et qui est suivi par une étape de décantation ou clarification est le suivant :

 

Figure 17 : Schéma représentatif du traitement primaire des eaux, composé des étapes de coagulation, floculation et de sédimentation (Source : Coagulation-floculation, http://www.drinking-water.org/html/fr/Treatment/Coagulation-Flocculation.html)

 

Plusieurs coagulants sont utilisables pour le traitement des effluents de tanneries. Parmi eux, nous pouvons citer certains coagulants inorganiques souvent utilisés dans le traitement des eaux :

  • le sulfate d'aluminium Al2(SO4)3, 14 H2O
  • le sulfate de fer FeSO4, 7H2O
  • le chlorure de fer FeCl3
  • la chaux ou hydroxyde de calcium Ca(OH)2

Sachant que les flocs sont des précipités d'hydroxydes de métaux, leur formation et leur stabilité dépendent donc du pH. Pour connaître le pH optimal pour un coagulant particulier, il est nécessaire de regarder le diagramme de solubilité des hydroxydes métalliques correpondant. Par exemple, pour le sulfate d'aluminium, il faut se réferrer au domaine d'existence de l'hydroxyde métallique Al(OH)3 en fonction du pH et de la concentration en aluminium.

Cliquer sur le diagramme pour l'afficher en taille réelle

Figure 18 : Diagramme de solubilité de l'hydroxyde d'aluminium (log C en fonction du pH)

(SourceSigg, L., Behra, Ph., Stumm, W., 2014. Chimie des milieux aquatiques. 5ème édition, Dunod, Paris, Figure 10.1, p. 331)

 

D'après le diagramme ci-dessus, on peut déduire que le pH optimal pour le sulfate d'aluminium est d'environ 6,5-7. En effet, pour la coagulation on doit se trouver dans le domaine d'existence en "V" de l'hydroxyde du métal pour que le phénomène soit optimisé.

Dans notre cas, nous avons choisi une association coagulant-floculant, avec comme coagulant le sulfate d'aluminium et comme floculant un polyélectrolyte organique anionique.

 

1) Dimensionnement du bassin de coagulation :

 

Rappelons que la coagulation représente l’ensemble des mécanismes de déstabilisation d’une dispersion colloïdale menant à l’agglomération de ces particules sous forme de micro-flocs et des mécanismes de précipitation des substances dissoutes.

 

  • Détermination de la quantité de coagulant à ajouter :

Dans la majorité des cas, la quantité de coagulant à ajouter dépend de la quantité de matières en suspension (MES) à l'entrée. Généralement, on estime un rapport de 1 à 10% entre le coagulant et la quantité de MES. Nous avons choisi de fixer arbitrairement un rapport de 10% , c'est-à-dire qu'il faut ajouter 0,1 mg d'alun/mg MES.

Remarque : En pratique, des essais en Jar-tests sont réalisés afin de simuler les processus de coagulation/floculation et de déterminer les conditions optimales en terme de pH et de dosage du coagulant et du floculant.

Le débit journalier de matières en suspension est :

$$Q_{MES}=[MES]_{après\ dégrillage} \times V_{effluents\ par\ jour}=2800 \times 7140000 \ 10^{-9} =19,9\ tonnes\ de\ MES/j$$

soit $$Q_{MES}=230\ g_{MES}/s$$.

Donc le débit d'ajout du coagulant est :

$$Q_{massique\ coag}=Q_{MES} \times 0,1=\color{red} {23,0\ g/s}$$.

Or le coagulant sera ajouté en solution. Nous avons choisi de préparer une solution mère de coagulant de concentration 50 g/L (solubilité de 114 g/L dans l'eau à 20°C). Le débit d'ajout de cette solution sera alors :

$$Q_{vol\ coag}=\frac {Q_{massique\ coag}}{C_{solution\ mère}}= \frac {23}{50}= \color{red}{0,46\ L/s}$$.

Pour la conservation et la préparation de la solution mère, nous avons choisi une conservation de 24h pour éviter d'avoir une cuve trop grande. Le volume journalier de solution à préparer est donc de $V_{solution\ coagulant}=Q_{vol\ coag}\times 10^{-3} \times 24 \times 3600= \color{red} {39,8\ m^3}$. Pour ce bassin, nous avons défini une hauteur arbitraire de 3 m, ce qui donne une surface de bassin de $\underline {S=13,3\ m^2}$ et un diamètre de $\underline {D=4,1\ m}$.

La masse de coagulant à diluer chaque jour dans le bassin de préparation est :

$$m_{coag\ à\ dissoudre}=C_{solution\ mère} \times V_{solution\ mère}=50 \times 39,8 \times 10^{-3} \approx \color{red} {2\ tonnes/j}$$.

Or, le prix d'une tonne de sulfate d'aluminium industriel est de 150 \$/tonne, donc la station de traitement dépensera par jour :

$$coût=prix\ à\ la\ tonne \times masse\ coagulant\ à\ utiliser\ par\ jour=2 \times 150 \approx \color{red} {200\ \$/j}$$

soit environ $\color{red} {14\ \$/j/tannerie}$.

 

  • Détermination  du volume de bassin de coagulation :

Pour le dimensionnement du bassin de coagulation, nous avons imposé un temps de séjour dans le bassin de 5 min, ce qui nous a ensuite permis de calculer le volume nécessaire pour ce bassin. Il en découle en effet :

$$V_{bassin\ coagulation}=Q_{entrée} \times temps\ de\ séjour=0,083 \times 5 \times 60 \approx \color{red} {25\ m^3}$$.

Nous avons choisi pour le traitement physico-chimique de placer les deux bassins de coagulation et de floculation en série, ce seront des bassins de forme rectangulaire, de profondeur 5 mètres. Généralement le ratio profondeur:largeur est 2:1, donc on peut estimer que le bassin de coagulation aura pour largeur 2,5 m, et étant donné que la surface est de 5 m2 ($\frac {25}{5}$), la longueur est de 2 m.

Le débit des eaux à la sortie du bassin de coagulation est :

$$Q_{sortie\ coagulation}=Q_{entrée\ eaux}+Q_{entrée\ coagulant}= 0,083 + 0,46.10^{-3} \approx \color{red} {0,083\ m^3/s}$$. 

La plupart du temps pendant cette opération, la masse liquide est maintenue en agitation par un agitateur vertical de vitesse variable entre 250 et 1.500 rpm à travers un contrôleur de fréquence installé dans le tableau électrique. Dans notre cas, nous avons préféré assuré le mélange à l'aide de chicanes pour créer des tourbillons et éviter une consommation énergétique supplémentaire. (cf. Schéma représentant la succession des unités de traitement des effluents)

 

2) Dimensionnement du bassin de floculation :

 

Comme expliqué plus tôt, la floculation représente l’ensemble des mécanismes de transport des particules déstabilisées menant à la collision et à l’agrégation de ces dernières.

 

  • Détermination de la quantité de floculant à ajouter :

D'après les résultats obtenus par Sajjad Haydar et Javed Anwar Aziz (Source : Coagulation–flocculation studies of tannery wastewater using combination of alum with cationic and anionic polymers, Journal of Hazardous Materials 168 (2009) 1035–1040), nous avons choisi d'utiliser comme floculant un polyélectrolyte1 organique anionique, et plus précisément un polyacrylamide2 linéaire avec un copolymère d'acrylate (cf. motif ci-dessous).

1 Un polyélectrolyte est un polymère ionique comportant un grand nombre de sites ioniques et ayant une continuité des régions d’interactions ioniques. Une fois dissous dans un solvant polaire comme l'eau, le polymère se dissocie, et apparaissent des charges sur son squelette et des contre-ions en solution. (Source : Wikipedia)

2 Le polyacrylamide est un polymère (-CH2-CH(-CONH2)-) formé à partir d'acrylamide. (Source : Wikipedia)

 

Figure 19 : Motif d'un copolymère linéaire acrylamide-acrylate (Source : Hubert Cabana, Chapitre 3 : La coagulation, la floculation et l'agitation, Conception : usine de traitement des eaux potables, 2011)

 

En ce qui concerne la dose de floculant, nous nous sommes basées sur la dose utilisée par Sajjad Haydar et Javed Anwar Aziz qui est de 5 mg de floculant pour 350 mg de matières en suspension en entrée, ce qui correspond à une dose de 0,0143 mg de polymère/mg de MES.

Sachant que le débit massique de matières en suspension est de 230 g/s, on peut calculer le débit massique d'ajout du polymère :

$$Q_{massique\ ajout\ polym}=Q_{massique\ MES} \times dose=230 \times 0,0143=\color{red} {3,3\ g/s}$$.

Comme pour le coagulant, nous ajoutons le polymère en solution. Cette solution mère sera également à 50 g/L. Donc le débit volumique d'ajout du floculant est :

$$Q_{vol\ ajout\ floculant}=\frac {Q_{massique\ ajout\ polym}}{C_{solution\ mère\ floculant}}= \frac {3,3}{50}= \color{red} {0,066\ L/s}$$.

Là encore, on choisit de préparer la solution de floculant pour une conservation de 24h. On peut ainsi calculer le volume de la cuve de préparation de cette solution :

$$V_{solution\ floculant}=Q_{vol\ ajout\ floculant} \times temps\ de\ séjour=0,066 \times 24 \times 3600 \times 10^{-3}=\color{red} {5,7\ m^3}$$.

On fixe pour cette cuve une hauteur de 3m, ce qui conduit à une surface de 1,9 m2 et un diamètre de bassin de 1,55m.

La masse de floculant à diluer chaque jour pour préparer la solution avant de l'ajouter en continu dans le bassin de floculation est donc de :

$$m_{polymère\ à\ dissoudre}=C_{solution\ mère\ floculant} \times V_{solution\ floculant}=50 \times 5,7 \times 10^{-3} \approx \color{red} {0,28\ tonnes/j}$$.

Or le prix d'une tonne de floculant est de 1300 \$/tonne, donc la station de traitement dépensera par jour :

$$coût=prix\ à\ la\ tonne \times masse\ polymère\ à\ utiliser\ par\ jour=0,28 \times 1300 \approx \color{red} {370\ \$/j}$$

soit environ $\color{red} {17\ \$/j/tannerie}$.

 

  • Détermination  du volume de bassin de floculation :

Pour le dimensionnement du bassin de floculation, nous avons imposé un temps de séjour dans le bassin de 20 min (Source : U.N.I.DO., Introduction to treatment of tannery effluents, Vienne, 2011), ce qui nous a ensuite permis de calculer le volume nécessaire pour ce bassin. Il en découle en effet :

$$V_{bassin\ floculation}=Q_{entrée} \times temps\ de\ séjour=0,083 \times 20 \times 60 \approx \color{red} {100\ m^3}$$.

Comme expliqué précédemment, le bassin de floculation est un bassin rectangulaire et sa profondeur a été fixé à 5 mètres. Généralement le ratio profondeur:largeur est 2:1, donc on peut estimer que le bassin de coagulation aura pour largeur 2,5 m, et la surface étant de 20 m2, la longueur sera de 8 m. En pratique, il y a souvent plusieurs bassins de floculation en série pour permettre aux flocs de s'agglomérer.

Le débit des eaux à la sortie du bassin de coagulation est :

$$Q_{sortie\ floculation}=Q_{entrée\ eaux}+Q_{entrée\ floculant}=0,83 + 0,066.10^{-3} \approx \color{red} {0,083\ m^3/s}$$.

La plupart du temps pendant cette opération, la masse liquide est maintenue en agitation par un agitateur vertical ou horizontal à travers un contrôleur de fréquence installé dans le tableau électrique ou par la mise en place de chicanes comme pour le bassin de coagulation. Dans notre cas, nous avons estimé que le débit du fluide entraînerait une agitation suffisante pour l'agglomération des flocs.

 

III. Décantation primaire

 

Grâce à l'ajout de {coagulant+floculant}, les matières en suspension ont pu s'agglomérer pour former des flocs plus denses qui décanteront donc plus rapidement. Ainsi, l'étape suivante repose sur le principe de décantation et permet une séparation des matières solides sous l'effet de la pesanteur. Le but d'un décanteur est donc de permettre aux flocs de sédimenter au fond d'un bassin pour les éliminer des eaux. On récupère alors au fond des boues primaires qui seront traitées par la suite.

Pour cette étape, nous avons choisi d'utiliser un décanteur circulaire. Un décanteur conique aurait été plus efficace mais dans un but de simplification, nous avons ici dimensionner un décanteur circulaire.

 

  • Dimensionnement du bassin de décantation :

Pour déterminer la surface nécessaire du décanteur, nous avons besoin de deux données : le débit en entrée du décanteur ainsi que la charge hydraulique superficielle limite exprimée en m3/m2.j.  Dans notre cas, nous avons un débit QE=0,083 m3/s et dans la littérature, nous avons pu trouver une valeur de charge hydraulique que nous allons fixer à 30 m3/m2.j (Sources : Metcalf & Eddy, , Wastewater Engineering, Treatment and Reuse, Fourth Edn, McGraw Hill Education, 2003 et Performance Evaluation of Common Effluent Treatment Plant for Tanneries at Pallavaram CETP, 2006).

Ainsi, la surface requise pour la décantation se calcule à partir de la relation suivante :

$$S_{bassin\ décantation}= \frac {Q_E}{OR}= \frac {3600 \times 24 \times 0,083}{30} \approx \color{red} {240\ m^2}$$

avec OR : Overflow Rate (= Charge hydraulique) en m3/m2.j et QE : débit d'effluents à l'entrée en m3/j

A partir de cette surface requise, nous avons pu calculer le diamètre du bassin de décantation :

$$D=\sqrt{(\frac{{4}\times{S_{bassin\ décantation}}}{\pi})}=\sqrt{(\frac{4\times 240}{\pi})}=\color{red}{17,5\ m}$$

Pour calculer le volume du décanteur, nous fixons une hauteur de décanteur de 4 mètres. D'où : $$V_{décanteur}=S_{bassin\ décantation}\times hauteur\ bassin\ décantation= 240\times 4 \approx \color{red} {960\ m^3}$$

Le temps de séjour des eaux dans le décanteur est donc :

$$temps\ de\ séjour_{décantation}=\frac {V_{décanteur}}{Q_E}=\frac {960}{0,083 \times 60 } \approx \color{red} {3,2\ h} $$

Il est également possible de déterminer le débit de débordement (WLR : Weir Loading Rate en anglais) à partir de la longueur de déversoir. On estime que le débordement de l'eau clarifiée se fera sur la circonférence du décanteur (l'eau à l'entrée arrivera par le centre du décanteur), la longueur de déversoir correspond donc au périmètre du bassin soit :

$$Weir\ Length = \pi \times D_{décanteur}= \pi \times 17,5 \approx 55\ m$$

Le débit de débordement se calcule donc à partir de ce périmètre et du débit d'entrée d'eaux usées selon la relation suivante :

$$WLR= \frac {Q_E}{Weir\ Length}= \frac {0,083 \times 3600 \times 24}{55}= \color{red} {131\ m^3/m.j}$$

Nous avons alors contrôlé cette valeur avec la gamme indiquée dans l'ouvrage Wastewater Engineering, Treatment and Reuse de Metcalf & Eddy (p.398). La gamme  autorisée étant de 125-500 m3/m.j, le débit de débordement que l'on obtiendrait avec un décanteur ainsi dimensionné est donc correct.

 

Une fois le décanteur dimensionné, il est nécessaire de calculer la production de boues qui découle de cette décantation primaire, pour connaître le débit de la phase liquide à la sortie ainsi que les concentrations en polluants dans les deux phases.

 

  • Détermination de la production de boues primaires :

Pour calculer le débit de boues primaires, nous allons faire un bilan massique sur le décanteur d'après le schéma suivant :

 

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Figure 20 : Bilan sur le décanteur primaire (Schéma réalisé avec LucidChart)

 

Donc on peut écrire :

$$Q_E \times [MES]_E=Q_B \times [MES]_B + Q_S \times [MES]_S$$

On connaît : $$Q_E \times [MES]_E = 0,083.10^{3} \times 2786.10^{-3}=232\ g/s$$

On sait d'après les données trouvées dans la littérature (Source : U.N.I.D.O., Introduction to treatment of tannery effluents, Vienne, 2011) que le traitement physico-chimique par coagulation-floculation permet d'éliminer 90% des matières en suspension.

On peut donc calculer : $$Q_B \times [MES]_B=0,9 \times Q_E \times [MES]_E = 0,9 \times 232 = 209\ g/s$$

Or, le pourcentage de matières sèches contenu dans les boues est de 5% (Sources : U.N.I.D.O., Introduction to treatment of tannery effluents, Vienne, 2011 et Metcalf & Eddy, , Wastewater Engineering, Treatment and Reuse, Fourth Edn, McGraw Hill Education, 2003), donc on peut en déduire que $[MES]_B \approx 50\ g/L$.

Ainsi $$Q_B= \frac {209}{50} = 4,17\ L/s$$ soit $$Q_B \approx \color{red} {360\ m3/j}$$

Or $Q_E=Q_B+Q_S$ donc on peut calculer $Q_S$ :

$$Q_S=Q_E-Q_B=7185-360=6825\ m^3/j$$ soit $$Q_S= \color{red} {79\ L/s}$$

A partir de là, on peut calculer la concentration en matières en suspension dans le surnageant qui est de :

$$[MES]_S=\frac {0,1 \times Q_E \times [MES]_E}{Q_S} \approx 293\ mg/L$$

 

Nous pouvons ensuite faire le bilan des caractéristiques des boues et du surnageant en terme de concentrations en polluants, afin de connaître les quantités de pollutions qu'il reste à traiter.

 

Cliquer sur le tableau pour l'afficher en taille réelle

Tableau 13 : Bilan des caractéristiques des boues primaires et des effluents à la sortie du décanteur primaire

 

Remarque : Les pourcentages d'élimination des différents polluants ont été relevés dans différentes publications (Sources : U.N.I.D.O., Introduction to treatment of tannery effluents, Vienne, 2011. et  Z. Song, C.J. Williams, R.G.J. Edyvean, Treatment of tannery wastewater by chemical coagulation), en pratique il serait bien évidemment nécessaire d'analyser les rendements réels des polluants en fonction du dosage du coagulant et du floculant et du pH du mélange.