Procédé général de traitement des eaux usées industrielles

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GENERALITES SUR LES EAUX USEES

Définition

Les eaux usées sont ces eaux altérées par l’activité humaine. Elles contiennent de ce fait des polluants. On les appelle aussi les eaux résiduaires.

Types des eaux usées

D’après Larousse agronomique 1985, les eaux usées sont l’ensemble des eaux ménagères, des eaux industrielles, des eaux de service public, des eaux de drainage et des eaux-vannes.
Eaux ménagères : encore appelées eaux grises, elles proviennent des usages domestiques tels que la lessive, les eaux de bain, l’arrosage, la machine à laver… elles sont alors polluées par les produits chimiques (détergents, savon…) de matières organiques (provenant de la cuisine), et de matières en suspension (débris de terres, sables …)
Eaux industrielles : les usines utilisent l’eau pour les machines et les installations (eau de refroidissement, eau de chaudière …), les différents procédés de fabrication (papeterie, industrie textile…), mais aussi pour le lavage (carrelage, machines). Leurs caractéristiques varient beaucoup, selon les activités de l’usine. Les polluants sont ainsi très divers : polluant organique, produit toxique, métaux lourds, hydrocarbures …
Les eaux de service public : elles sont issues des usages urbains comme les urinoirs, les lavoirs, les hôpitaux, les lavages des rues …
Les eaux de drainage : ou eau de ruissellement, pendant son écoulement, les eaux de pluies se chargent de différents polluants : métaux lourds, carburants, hydrocarbures, débris de terres…
Les eaux-vannes : ou eaux noires, ce sont les eaux des toilettes. Elles sont composées de matières fécales et d’urines.

Caractéristiques de l’eau résiduaire industrielle

Beaucoup sont les paramètres qu’il faut prendre en compte lorsque l’on parle d’eau usée dont : la turbidité, les matières en suspension (MES), la Demande Biochimique en Oxygène (DBO), la Demande Chimique en Oxygène (DCO), l’azote global et le phosphore total.

La turbidité

C’est la propriété d’une eau d’être trouble. Elle donne une indication sur l’abondance des matières en suspension dans l’eau.
La mesure de ce paramètre est importante. En effet, si elle est élevée, cela empêche la propagation de la lumière, ce qui limite et même élimine les végétaux.

Matières en suspension (MES)

Les matières en suspension sont l’ensemble des matières solides insolubles visibles à l’œil nu présentes dans un liquide. Les teneurs sont très variables, elles peuvent être fonction de la saison, de la pluviométrie, des rejets …
Il est aussi nécessaire de connaitre ce paramètre car la présence des matières en suspension provoque la mort des poissons et empêche aussi la pénétration de la lumière dans l’eau.

Demande chimique en oxygène (DCO)

Par définition, ce paramètre représente la quantité de dioxygène nécessaire à l’oxydation de l’ensemble des matières organiques et minérales contenues dans l’eau, par oxydo-réduction. Cette donnée est représentative de la pollution organique et chimique.

Demande biochimique en oxygène (DBO)

Par définition, c’est le besoin en dioxygène d’une eau pour assurer la dégradation biochimique des matières organiques.
Le rapport DCO/DBO5 évalue l’aptitude à la biodégradation, donc la nécessité de traitement biologique :
DCO/DBO5 > 5 : effluent difficilement biodégradable, voire même non biodégradable.

Azote et phosphore

Ces paramètres sont très importants car des teneurs élevées peuvent provoquer une eutrophisation des lacs et des cours d’eau. Ce phénomène se caractérise par une prolifération des algues et la diminution de l’oxygène dissous, ce qui appauvrit la faune et la flore des eaux superficielles.
L’azote peut se présenter sous plusieurs formes : azote ammoniacal, azote Kjeldahl, azote nitreux, azote nitrique.
Le phosphore est l’ensemble de : orthophosphates, polyphosphates et phosphate organique.

TRAITEMENT DES EAUX USEES INDUSTRIELLES

Le traitement des eaux usées industrielles a pour but d’éviter que le milieu récepteur subisse les conséquences de ses activités. Cependant, les caractéristiques ne sont pas les mêmes pour chaque industrie, mais dépendent de l’utilisation de l’eau dans les activités.

Caractérisation générale des effluents

Compte tenu de la variabilité des caractéristiques des eaux usées, il faut considérer quelques paramètres avant d’envisager le type de traitement adéquat.
Fabrications types, capacités et cycles, matières premières consommées Composition de l’eau d’appoint dans l’usine
Possibilité de séparation de rejets, et/ou de recyclages Volumes journaliers d’effluents par catégorie
Débits horaires moyens et maximaux
Flux de pollution moyen, maximal par catégorie de rejet pour une pollution spécifique de l’industrie

Procédé général de traitement des eaux usées industrielles

Comme il a été cité auparavant, chaque industrie produit différente eau résiduaire selon ses activités, et de ce fait, chacune doit envisager des techniques appropriées. Ceci étant, il y a les procédés généraux de traitement successifs : le prétraitement, le traitement primaire, le traitement secondaire, et le traitement tertiaire.
Le diagramme ci-après nous résume le procédé général de traitement des eaux usées industrielles:

Prétraitement

Cette étape consiste à éliminer les gros débris solides, sables, graisses et huiles. Il comprend les opérations de dégrillage, dessablage, déshuilage, dilacération, débourbage, macrotamisage. Dégrillage : c’est la première opération à laquelle on fait passer les eaux usées dès leur arrivée à la station d’épuration. Les débris volumineux sont retenus par des grilles.
Dessablage : il permet d’éliminer les matières en suspension de taille importante ou de densité élevée par décantation. Cette étape est très importante pour éviter le bouchage des canalisations et protéger les équipements contre l’abrasion.
Déshuilage : il favorise la remontée des corps gras moins dense que l’eau.
Dilacération : elle a pour but de « désintégrer » les matières solides charriées par l’eau. Au lieu d’être extraites de l’effluent brut, ces matières sont déchiquetées au passage et poursuivent le circuit de l’eau vers les stades de traitement suivant.
Débourbage : il constitue une pré-décantation dont le but est d’éliminer la totalité des sables fins et le plus possible de limons
Macrotamisage : il est destiné à retenir certaines matières en suspension, flottantes et semi-flottantes, débris végétaux ou animaux, insectes, algues, … de dimensions comprises entre 0,2 mm et quelques millimètres.
Ces opérations ne sont pas obligatoires mais dépendent de la qualité de l’eau à traiter.

Traitement primaire

Cette étape contribue à une séparation physique, liquide-solide afin de retenir les matières en suspension dans l’effluent.
Les opérations possibles pour cette étape sont :
la coagulation-floculation,
la décantation, la flottation, et la filtration.

Coagulation-floculation

Cette étape constitue la clarification de l’eau.
Coagulation : La coagulation est par définition la déstabilisation des particules colloïdales, qui peut notamment être obtenu par neutralisation de leurs charges électriques. Le produit utilisé est le coagulant. Il peut décharger les colloïdes généralement électronégatifs dans l’eau, et donner naissance à un précipité.
Il existe plusieurs types de coagulants : les sels d’aluminium (sulfate d’aluminium, chlorure d’aluminium, polymère d’aluminium), les sels de fer (chlorure ferrique, sulfate ferrique, sulfate ferreux) et d’autres coagulants (sulfate de cuivre, ozone)
Al3+ + 3H 0 Al(OH) + 3H+
Fe3+ + 3H O Fe(OH) + 3H+
Floculation : La floculation est constituée par l’agrégation des particules déchargées par transport et la mise en contact les unes avec les autres. On obtient par la suite les flocs. Certains produits peuvent amorcer ce phénomène de floculation, ce sont les floculants.
Il existe aussi un certain nombre de floculants : la silice activée, les autres floculants minéraux (charbon actif, sable fin, certains argiles), et les floculants organiques (alginates, polymères organiques)
Pour connaitre le taux de traitement optimal pour la clarification d’une eau, des essais en laboratoire doivent être effectués : c’est le JAR-TEST. Les essais consistent à apprécier la qualité de la floculation ainsi que la turbidité minimale après introduction d’une quantité croissante de réactifs dans plusieurs béchers.
Le pH d’une bonne floculation étant compris entre 6,5 et 7,5, il est souvent nécessaire de régler ce paramètre par ajout de produit basique (chaux par exemple) quand l’eau est trop acide.

Décantation

Il existe deux matières décantables : les particules grenues qui se sédimentent indépendamment les uns des autres avec une vitesse constante, et les particules plus ou moins floculées issues d’une agglomération naturelle ou de l’opération de floculation.
Décantation des particules grenues : dans un liquide au repos, une particule grenue s’accélère d’abord, puis prend une vitesse constante appelée vitesse terminale qui peut se calculer grâce à la formule de Newton : 4. .( − ) = Tel que :
v : vitesse terminale en cm/s
d : diamètre de la particule cm
ρs et ρe : masses volumiques de la particule et du fluide en g/cm3
C : coefficient de trainée
g : 981 cm/s2
Re : nombre de Reynolds
n et a : coefficients
Décantation des particules plus ou moins floculées : pour cette décantation, la concentration de matières peut être faible et le floc dispersé décante comme s’il était seul : on parle alors de la décantation diffuse. D’autre part cette concentration peut être élevée, et l’abondance des flocs crée une décantation d’ensemble freinée, caractérisée par une interface nettement marquée entre la masse boueuse et le liquide surnageant : c’est la décantation en piston.

Flottation

Cette opération fait appel à la différence de masse volumique entre le liquide et les particules. Contrairement à la décantation, la masse volumique des particules doit être inférieure à celle du liquide qui les renferme. La flottation provient de l’aptitude qu’ont les particules à s’unir avec des bulles de gaz (des bulles d’air le plus souvent) pour former l’ensemble « particules-gaz ». La résultante des forces (pesanteur, poussée d’Archimède, force de résistance) entraine cet ensemble à monter en surface. Ce déplacement ascendant est régi par l’équation de Stokes, qui donne la vitesse de l’ensemble « particules-gaz ». v ( e s )gd 2 18
V : vitesse de flottation en cm/s
ρe : masse volumique du liquide en g/cm3
ρs : masse volumique des particules en g/cm3
d : diamètre des particules en cm
g : accélération de la pesanteur : 981 cm/s2
µ : viscosité dynamique en Po

Filtration

L’opération fait intervenir une membrane poreuse qu’on appelle filtre. Il retient les matières en suspension et fait passer le liquide qui est le filtrat. Le phénomène d’écoulement du liquide est régi par la loi de Darcy : P V kP
V : vitesse d’écoulement
P : perte de charge
µ : viscosité dynamique R : résistance du milieu

Traitement secondaire

On appelle aussi ce procédé le traitement biologique. En effet, il fait intervenir les bactéries qui consomment les matières organiques présentes dans les eaux résiduaires. On distingue les procédés biologiques aérobies (en présence d’oxygène) et les procédés biologiques anaérobies (à l’abri de l’air).
On peut aussi classer les traitements suivant que les bactéries soient cultivées librement ou qu’on ait une culture bactérienne fixe.

Procédé aérobie à culture bactérienne libre

Il existe plusieurs types de procédé à culture bactérienne libre :
Boues activées : les procédés par boues activées comportent essentiellement une phase de mise en contact de l’eau à épurer dans un bassin d’aération, avec les bactéries épuratrices. L’eau épurée passe ensuite dans un clarificateur qui sépare les flocs formés de l’eau.
Lagunage : il consiste à laisser stabiliser les boues d’épuration dans les fossés naturels ou artificiels pour que les phénomènes d’autoépuration s’effectuent comme dans les milieux aquatiques naturels. Les bassins de lagunage fonctionnent, comme les écosystèmes, en relation symbiotique avec les plantes, les bactéries, les algues, les poissons …

Procédé aérobie à culture fixe

Lits bactériens : appelés aussi filtre bactérien ou filtre percolateur, le principe consiste à faire ruisseler l’eau déjà décantée, sur une masse de matériau de grande surface spécifique, servant de support aux micro-organismes épurateurs. Ces matériaux sont de divers types : pouzzolane, coke métallurgique, cailloux siliceux concassés.

Traitement tertiaire

Le traitement tertiaire vise à améliorer la qualité des eaux de rejet sortant du traitement primaire et secondaire.
On peut soit :
Améliorer les paramètres classiques comme les DBO, DCO, MES par les techniques plus avancées telles que : microtamisage, filtration sur sables, lagunage…
Agir sur les paramètres qui n’ont pas encore été pris en compte dans les traitements antérieurs comme les bactéries, l’azote, le phosphore … on peut faire recours à la désinfection et des techniques comme la dénitrification de l’azote et la précipitation du phosphore.

Normes de rejet à Madagascar

Les industries ont, non seulement une obligation morale, mais surtout d’ordre juridique, de traiter leurs eaux usées avant de les rejeter. Les normes de rejet en sont leur référence.
Pour le cas de Madagascar, c’est l’Office National pour l’Environnement, sous tutelle du Ministère de l’Environnement, des Eaux et des Forêts, qui s’occupe de la prévention des risques environnementaux dans les investissements publics et privés et de la lutte contre les pollutions.

DESCRIPTION DES EFFLUENTS DE L’INDUSTRIE LAITIERE

Origines des effluents

La production de l’usine n’est pas forcément la même chaque jour. Cependant, la charge polluante provient généralement de deux facteurs :
Les produits laitiers eux-mêmes : matières premières ou produits finis
Les produits utilisés pour le nettoyage : produits acides (acide nitrique) ; produits basiques (à base de soude) ; produits stérilisants (eau de javel)
Chaque activité d’une usine génère différentes eaux polluées.
Réception de lait : l’effluent correspond au lavage des récipients, des bidons, ou des citernes. Il y aussi les pertes de lait au sol durant les transferts.
Tanks de stockage : la pollution est due au lavage des tanks, où il reste encore une petite quantité de lait.
Pasteurisateur : l’appareil nécessite aussi des lavages, et si la grande partie du lait est récupérée avant l’ouverture de la vanne, la pollution sera plus faible.
Fromagerie : le lavage des matériels, des tables d’égouttage et du circuit de représente un rejet de charge polluante. Ceci étant, il faut prendre en compte le rejet de sérum qui est en grande quantité dans une fromagerie. Il n’est pas désirable de le mélanger aux effluents laitiers, mais plutôt de le valoriser en alimentation animale, ou en autres produits tels que du jus.
Beurrerie : l’atelier produit une forte charge polluée lors des lavages des beurres. Comme le sérum, il n’est pas conseillé de rejeter le babeurre avec les eaux usées.
Atelier de poudre de lait : les poudres de lait sont fabriquées dans des tours qui nécessitent des lavages. Ce nettoyage représente l’eau résiduaire générée par l’activité.
Lavage des sols : elle nécessite un gros débit d’eau, elle représente parfois la moitié de la consommation de l’usine ; mais la charge polluante n’est pas très élevée.

Table des matières

LISTES DES TABLEAUX ET FIGURES
NOTATIONS ET UNITES
LISTE DES ILLUSTRATIONS
INTRODUCTION
PREMIERE PARTIE :
I. GENERALITES SUR L’INDUSTRIE LAITIERE
I.1. Définitions
I.2. Composition chimique
I.3. Transformation du lait
I.3.1. Le beurre
I.3.2. Yaourt
I.3.2. Le fromage
II. GENERALITES SUR LES EAUX USEES
II.1. Définition
II.2. Types des eaux usées
II.3. Caractéristiques de l’eau résiduaire industrielle
II.3.1. La turbidité
II.3.2. Matières en suspension (MES)
II.3.3. Demande chimique en oxygène (DCO)
II.3.4. Demande biochimique en oxygène (DBO)
II.3.5. Azote et phosphore
III. TRAITEMENT DES EAUX USEES INDUSTRIELLES
III.1. Caractérisation générale des effluents
III.2. Procédé général de traitement des eaux usées industrielles
III.2.1. Prétraitement
III.2.2. Traitement primaire
III.2.2.2. Décantation
III.2.2.3. Flottation
III.2.2.4. Filtration
III.2.3. Traitement secondaire
III.2.3.1. Procédé aérobie à culture bactérienne libre
III.2.3.2. Procédé aérobie à culture fixe
III.2.4. Traitement tertiaire
III.3. Normes de rejet à Madagascar
IV. DESCRIPTION DES EFFLUENTS DE L’INDUSTRIE LAITIERE
IV.1. Origines des effluents
IV.2. Caractéristiques des effluents
DEUXIEME PARTIE :
I. Description de l’usine
I.1. Localisation géographique
I.2. Les productions de l’usine
II. CARACTERISATION DES EFFLUENTS
II.1. Paramètres physiques et organoleptiques
II.2. Facteurs biologiques
II.2.1. DBO5
II.2.2. DCO
II.3. Paramètres chimiques
III. ESSAIS DE COAGULATION-FLOCULATION SUR LES EFFLUENTS
III.1. Matériels et réactifs utilisés
III.1.1. Matériels
III.1.2. Réactifs
III.2. Méthode d’analyse
III.3. Résultats d’analyse
III.3.1. Essais de coagulation-floculation avec le 1er échantillon d’eau usée
III.3.1.1. 1ère expérience
III.3.1.2. 2ème expérience
III.3.2. Essais de coagulation-floculation avec le 2ème échantillon
III.3.2.1. 1ère expérience
III.3.3. Résultats d’analyse
III.3.4. Interprétation des résultats
III.3.5. Proposition de solution
IV. PROPOSITION DE PROCEDE DE TRAITEMENT
IV.1. En amont de la clarification
IV.1.1. Dégrillage
IV.1.2. Macrotamisage
IV.2. En aval de la clarification
IV.2.1. Disque biologique
IV.2.2. Lits bactériens
IV.2.3. Boues activées
IV.2.4. Lagunage naturel et aéré
IV.2.5. Comparaison des procédés applicables
IV.3. Recommandations
IV.3.1. Circuit d’eau
IV.3.2. Sérum et babeurre
CONCLUSION
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES 
ANNEXES

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