Traitement des eaux usées par filtration membranaire

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Pollution agricole

L’agriculture, l’élevage, l’aquaculture et l’aviculture sont responsables du rejet de nombreux polluants organiques et inorganiques dans les eaux de surface et souterraines. Ces contaminants comprennent à la fois des sédimentations provenant de l’érosion des terres agricoles, des composés phosphorés ou azotés issus des déchets animaux et des engrais commerciaux, notamment les nitrates. La modernisation de l’agriculture et son intensification ont été généralement accompagnées d’une utilisation abusive et non réactionnelle des engrais azotés, notamment.
Les pesticides utilisés en agriculture pour protéger les cultures et les récoltes contre les insectes prédateurs afin d’augmenter les rendements sont aussi une source de contaminants. Le lessivage de ces produits phytosanitaires entraine la pollution des eaux par des substances toxiques. Par ailleurs la plupart des pesticides ne sont pas biodégradables.

Pollution industrielle

Les techniques industrielles modernes engendrent une pollution très importante.
Actuellement cette pollution est devenue plus massive, plus variée et plus insidieuse.
Devant l’extrême diversité de ces rejets, une investigation propre à chaque type d’industrie est nécessaire. Il faut connaître les procédés de fabrication et le circuit des réactifs et des produits pour déterminer la nature et la composition des polluants. Il est évident que les effluents déversés sans traitement approprié entrainent des changements indésirables dans le milieu récepteur.
A Madagascar, parmi les grandes industries polluantes, l’industrie textile occupe une place suffisamment importante.

Traitement physico-chimique

Ce traitement ne trouve son intérêt que si l’effluent brut contient une grande quantité de MES des substances toxiques ou s’il exige un haut rendement de décoloration.
Il peut comprendre l’une ou les étapes suivantes :
• floculation par dosage, dans un réacteur lentement agité, de sels de fer ou d’aluminium, puis ajout d’un polymère organique destiné à améliorer le rendement de la décantation.
• Clarification par décantation ou flottation.

Traitements biologiques

Selon la charge polluante et le rendement d’épuration souhaité, plusieurs schémas sont possibles: lit bactérien suivi ou non d’un décanteur, boues activées.

Traitements tertiaires

Ils trouvent leur utilité pour l’élimination de la DCO (Demande chimique en oxygène) non biodégradable et en particulier pour la décoloration.
La décoloration des effluents textiles se fait par précipitation et floculation réductrices par des sels ferreux.
Ces traitements spécifiques peuvent être : une précipitation chimique, une oxydation (les produits les plus utilisés sont : le chlore, l’hypochlorite de calcium et l’ozone), adsorption sur charbon actif ou sur d’autres adsorbants (comme la latérite activée).
Il est toujours préférable d’effectuer un essai de traitabilité pour choisir et dimensionner le procédé le plus approprié.

Boues

Les boues produites sont épaissies puis déshydratées. Parfois, elles peuvent aussi faire l’objet de traitements particuliers : production de biogaz.

Traitement des eaux usées par Filtration membranaire

La filtration sur membrane s’utilise pour des techniques bien spécifiques dans le domaine de l’épuration des eaux usées. La technologie membranaire s’utilise en premier lieu en tant que traitement ultérieur de l’effluent, surtout dans le cadre du recyclage ou de la réutilisation des eaux. Néanmoins, dans beaucoup de cas, cette technologie s’applique pour le traitement d’effluents bien spécifiques d’eaux usées, comme par exemple dans le cadre du traitement des émulsions huileuses ou d’autres émulsions spécifiques. Sur base du pouvoir séparateur des membranes, nous pouvons distinguer quatre principales techniques dans la technologie membranaire :  microfiltration : séparation de particules de +/- 0,1 jusqu’à 1 μm (grandes protéines, levures, microorganismes, …). Le principe de la microfiltration est la séparation physique. La mesure dans laquelle les particules sont séparées dépend de la taille des pores de la membrane. Des particules dont la taille est supérieure au diamètre des pores sont séparées entièrement, des particules dont la taille est plus petite que le diamètre des pores des membranes ne sont séparées que partiellement, et ceci en fonction du dépôt d’impuretés sur les membranes. La pression de service habituelle se situe entre 0,1 et 3 bar. Des applications possibles dans le domaine de l’épuration des eaux sont par exemple : séparation de microorganismes dans les eaux usées, séparation des émulsions d’huile-eau, traitement préliminaire des eaux usées pour nanofiltration ultérieure ou osmose inverse.  ultrafiltration : séparation de particules de 0,01 jusqu’à 0,1 μm (substances organiques, émulsions d’huile, molécules protéiques telle que la gélatine, bactéries, etc.). La pression de travail habituelle se situe entre 3 et 5 bar.  nanofiltration : séparation de particules de 0,001 jusqu’à 0,01μm (bactéries, germes, sucres, colorants, soufre, adoucissement de l’eau).  osmose inverse : séparation de particules de 0,0001 jusqu’à 0,001 μm (solutions salines, ions métalliques, nitrates, etc.). La pression de service habituelle se situe entre 10 et 60 bar.
L’osmose inverse est un principe qui est basé sur un phénomène naturel. Quand on a deux liquides de concentrations diverses qui sont séparés par une membrane semiperméable, l’eau pure va traverser la membrane de la solution la moins concentrée dans le sens de la solution la plus concentrée. Cette action naturelle va ainsi rééquilibrer la pression osmotique des deux solutions. Ce procédé implique qu’une pression mécanique sera exercée sur la solution la plus concentrée et cette pression sera supérieure à la pression osmotique. De cette façon le phénomène du rééquilibrage de la pression osmotique à travers la membrane va s’inverser, pour obtenir finalement une eau pure.

Adsorption chimique (chimisorption)

Elle met en jeu une ou plusieurs liaisons chimiques covalentes ou ioniques entre l’adsorbât et l’adsorbant. La chimisorption est généralement irréversible, produisant une modification des molécules adsorbées. Ces dernières ne peuvent pas être accumulées sur plus d’une monocouche. Les forces mises en jeu sont du même type que celles qui sont impliquées lors de la formation des liaisons chimiques. La chaleur d’adsorption est relativement élevée, et comprise entre 40 et 200 kcal/mol. La distance entre la surface et la molécule adsorbée est plus courte.

Adsorption physique (physisorption)

Contrairement à la chimisorption, l’adsorption physique est favorisée par une baisse de température. Les molécules s’adsorbent sur plusieurs couches (multicouches) avec des chaleurs d’adsorption souvent inférieures à 21 kcal/mol. Les interactions entre les molécules fixées (adsorbât) et la surface du solide (adsorbant) sont assurées par des forces électrostatiques type dipôles, des liaisons hydrogènes et /ou des forces de Van der Waals. La physisorption est rapide, réversible et n’entraînant pas de modification des molécules adsorbées. La distinction entre les deux types d’adsorption n’est pas toujours facile. En effet, les énergies mises en jeu dans les physisorptions fortes rejoignent celles qui interviennent dans les chimisorptions faibles.

Mécanisme d’adsorption

L’adsorption se produit principalement en quatre étapes. La figure 2 représente un matériau (adsorbant) avec les différents domaines dans lesquels peuvent se trouver les molécules organiques ou inorganiques qui sont susceptibles de rentrer en interaction avec le solide.

Filtration en profondeur

Dans ce principe, il est nécessaire de faire écouler la suspension à travers une masse poreuse (couche de sable ou de graviers, particules agglomérées sous forme de disques, cylindres, bougies, etc.). Il existe, entre les grains, des pores, dont les dimensions sont en général très supérieures à celles des particules de la suspension. L’expérience prouve cependant que des particules de la suspension vont se loger dans les pores de la masse poreuse en se coinçant entre des grains, ou en se collant contre les surfaces des grains. Il s’ensuit un colmatage progressif de la masse poreuse. Le filtrat sortira plus ou moins pur suivant la texture de cette masse (poreuse), la forme des particules à retenir et leur répartition granulométrique, les propriétés physico-chimiques des particules et du filtrat, l’épaisseur de la couche filtrante, le temps, le débit de suspension, etc…. Cette filtration, dite dans la masse, sur lit de sable ou en profondeur est en général utilisée pour les suspensions relativement peu chargées en matières solides.

Mode de passage des fluides

Le modèle de passage des fluides à travers le filtre permet de classer les filtrations ainsi :
 Filtration frontale .
 Filtration tangentielle.

Filtration frontales

Elle consiste à faire passer le fluide à filtrer perpendiculairement à la surface du filtre. C’est la technique employée pour les filtres à café .Les particules étant retenues par le filtre, cette technique est limitée par l’accumulation des particules à sa surface, qui finissent peu à peu par le boucher.

Filtration tangentielle

La filtration tangentielle, au contraire, consiste à faire passer le fluide tangentiellement à la surface du filtre. C’est la pression du fluide qui permet à celui-ci de traverser le filtre .Les particules, dans ces cas, restent dans le flux de circulation tangentiel et le bouchage s’effectue beaucoup moins vite. Cependant, cette technique est réservée à la filtration de très petite particules d’une taille allant du nanomètre jusqu’au micromètre.

Table des matières

INTRODUCTION
PARTIE I: Etudes bibliographiques
CHAPITRE I. POLLUTION DES EAUX ET TRAITEMENT DES EAUX
CHAPITRE II. ADSORPTION
CHAPITRE III. FILTRATION
CHAPITRE IV. LA POUZZOLANE ET LES COLORANTS
PARTIE II: ETUDES EXPERIMENTALES
CHAPITRE V. Contexte et objectif de l’étude
CHAPITRE VI. Matériels et méthodes
CHAPITRE VII. Résultats et interprétations
CONCLUSION

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