Traitement des pollutions d'origine industrielle

1. Impacts des polluants métalliques sur les boues activées

Il a été démontré que les eaux résiduaires très chargées en métaux lourds sont toxiques pour les boues des procédés de traitement biologiques. C'est le mécanisme biochimique de dégradation de la matière polluante qui serait impacté. En ce qui concerne la nitrification, l'étude du taux spécifique d'utilisation de l'ammoniac montre que le processus est altéré par les métaux lourds, selon leur toxicité, leur concentration : le nickel et la cadmium seraient ainsi plus toxiques que le plomb. Le plomb inhiberait d'ailleurs très peu le mécanisme de nitrification. La spéciation et l'état physico-chimique jouent également un rôle. Le plomb se trouve principalement associé aux matières en suspension.

Les micro-organismes dans les procédés de boues activées seraient inhibés par une concentration supérieure à 10  mg/L en zinc ou en cadmium, ainsi l’efficacité du procédé en est réduite. La toxicité des métaux lourds pour le procédé dépendrait de l’âge des boues et des sites spécifiques d’adsorption de métaux dans les flocs microbiens.

Cependant, une quantité constante de métaux lourds dans l'eau brute n'affecterait pas les performances du traitement biologique: il aurait un effet d'acclimatation de la biomasse. Les charges lourdes et ponctuelles de ces pollutions aux métaux lourds auraient en revanche des effets notables sur les boues activées, en particulier en cas de non acclimatation de la biomasse. Le développement de la biomasse serait perturbé, et par conséquent l'efficacité du procédé.

En dépit de la mise en œuvre de traitements préliminaires (voir paragraphe 2.), une certaine quantité de ces métaux lourds, même à l’état de trace, se retrouve inévitablement dans les procédés biologiques. Les boues activées seraient capables d’adsorber et d'accumuler des métaux lourds présents dans les eaux à très faibles concentrations. Les phénomènes de précipitation semblent jouer un rôle prépondérant dans l'élimination du plomb.

Mais ces métaux lourds, même en faibles concentrations pourraient affecter la capacité d’adsorption des composés organiques par les boues activées. Il y aurait compétition entre les métaux et la matière organique pour l’adsorption sur les sites actifs des bioflocs. En effet l’élimination de la matière organique consiste en une adsorption rapide sur les flocs de boues suivie de leur dégradation métabolique. Les ions métalliques n’auraient donc pas dans ce mécanisme d’action inhibitrice toxique sur les micro-organismes à proprement parler. Ce phénomène affecterait l’abattement de DCO, en particulier pour des temps de séjour hydrauliques faibles.

 

2. Traitement des métaux lourds en amont de la STEP

Les métaux lourds ne peuvent pas être détruits : il est nécessaire de les récupérer et de les réutiliser pour éviter qu'ils ne soient rejetés dans l'environnement. Les autres méthodes conduisent à les transférer entre les différents milieux (eaux usées, air pollué, décharge).

Pour respecter les meilleures techniques disponibles dans ce domaine, des mesures sont proposées:

- séparer autant que possible les eaux usées contenant des métaux lourds
- traiter
à la source les flux d'eaux usées séparés avant de les mélanger à d'autres flux
- utiliser
des techniques qui permettent une récupération maximale
- faciliter l'élimination des métaux lourds par un post-traitement final dans une station d'épuration, suivi le cas échéant d'un traitement des boues (BREF CWW).

Les technologies disponibles pour l’élimination des métaux lourds dans les eaux usées sont la précipitation chimique, l’adsorption sur charbon, l’échange d’ion et l’osmose inverse. La précipitation est la plus communément utilisée pour la plupart des métaux, en particulier pour le plomb. Il faut noter qu'il reste toujours une trace de ces éléments métalliques dans l'eau après traitement.

La précipitation peut être utilisée « directement à la source [de pollution] pour éliminer le plus efficacement possible les métaux lourds afin d’éviter une dilution par des flux non contaminés. Une séparation liquide solide est ajoutée afin de récupérer les précipités et extraire ainsi les composés visés. La performance de cette opération dépend de plusieurs facteurs, et notamment : le pH, la qualité du mélange, le choix du réactif, la température, le temps de séjour pour l’étape de précipitation, etc.

Pour la plupart, les métaux lourds peuvent être précipités sous forme d’hydroxydes ou de sulfures. Les précipités d’hydroxyde résultent de l’utilisation de chaux ou de soude au pH correspondant à la solubilité minimale, qui dépend du métal en question, mais aussi des constituants présents dans l’eau. En pratique les concentrations résiduelles en métaux qui sont atteignables dépendent de la nature et de la concentration de la matière organique dans l’eau, mais aussi de la température. Au vu des nombreuses incertitudes sur ce traitement, il est nécessaire de réaliser des tests en laboratoire et/ou des essais pilotes pour déterminer les quantités et les performances du traitement.

On peut aussi noter que le traitement du phosphore par précipitation chimique peut conduire à la co-précipitation des métaux lourds. De plus, la précipitation chimique peut empêcher la digestion anaérobie pour la stabilisation des boues en raison de la haute toxicité des précipités de métaux lourds (Metcalf & Eddy). Notre objectif serait ici d’éliminer ces métaux lourds avant leur arrivée en station d’épuration : on limiterait ainsi la co-précipitation, permettant le traitement anaérobie des boues par la suite.

 


Bibliographie

Battistoni, P., Fava, G., & Ruello, M. (1993). Heavy metal shock load in activated sludge uptake and toxic effects. Water Research, 821-827.

Commission Européenne. (Février 2003). Document de référence sur les meilleures techniques disponibles : Systèmes communs de traitement des eaux et gaz résiduaires de l'industie chimique.

ESME. Précipitation des métaux. Consulté le 11/03/2015. Récupéré sur Site de l'ESME: http://www.emse.fr/~brodhag/TRAITEME/fich9_8.htm

Legret, M. (1994). Les métaux lourds dans les boues de stations d'épuration. Valorisation agricole et extraction des métaux toxiques. Bulletin de liaison Labo Ponts et Chaussées, pp. 35-40.

Metcalf & Eddy Inc., Tchobanoglous, G., Burton, F., & Stensel, H. (2002). Wastewater Engineering : Treatment and Reuse, Fourth Edition. McGraw Hill Higher Education.

You, S., Tsai, Y.-P., & Huang, R.-Y. (2009). Effect of heavy metals on nitrification performance in different activated sludge processes. Journal of Hazardous Materials, 987-994.