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« Chercheurs deau » Ou le traitement des eaux usées et des boues dépuration Institut S t Joseph dEtterbeek 5 ème Technique Qualification Chimie Rue Félix.

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1 « Chercheurs deau » Ou le traitement des eaux usées et des boues dépuration Institut S t Joseph dEtterbeek 5 ème Technique Qualification Chimie Rue Félix Hap, 14 B1040 Etterbeek Tél.: Fax: Printemps des sciences, ULB du 31 mars au 6 avril 2003

2 Sommaire Eaux usées : Origines & composition Traitement Mécanique Biologique Chimique Boues dépuration : Composition Fraction organique Fraction minérale Problématiques Traitements Oxydation par voie humide (OVH) Incinération

3 Origines & composition Protéines Sucres Graisses (produits dentretien, urines, selles) Organique : Pollution domestique Composés azotés Composés phosphorés Nutriments et engrais : Pollution agricole Cuivre, Zinc, Plomb (corrosion des conduites) Autres : Hg, Ni, Cd, Cr, etc. Métaux lourds : Pollution industrielle

4 Traitement des eaux usées Prédégrillage Dessablage Déshuilage Décantation [1] Traitement mécanique : But :Eliminer les gros déchets But :Décantation du sable et des particules lourdes But :Récupération des huiles, graisses et hydrocarbures But :Sédimentation [2] des particules solides (2h) Elimination denviron un tiers des substances contenues dans les eaux usées après les traitements mécaniques Echantillon A : eau après prédégrillage

5 Traitement des eaux usées Traitement biologique : Phase aérobie [3] Utilisation des boues activées et apport doxygène pour la minéralisation des composés organiques (80% à 90%). (1) Substances organiques + O 2 CO 2 + PO SO NO 3 - Nitrification par bactéries (nitrosomas, nitrobacter) des ions ammonium (NH 4 + ) issus de la décomposition des protéines. (2) NH 4 + NO 2 - NO 3 - Boue activée Boue issue des eaux usées mélangée avec les boues des fosses septiques contenant les bactéries actives.

6 Traitement des eaux usées Traitement biologique : Phase anaérobie [4] Dénitrification des ions nitrates (NO 3 - ) par bactéries anaérobiques (pseudomonas) qui puisent loxygène dans lesdits ions et rejettent de lazote gazeux. (3) NO 3 - NO 2 - N 2 60% à 90% de NO x - sont dénitrifiés. Les nitrates sont des fertilisants, mais ils contribuent à leutrophisation [5] des rivières.

7 Traitement des eaux usées Traitement biologique Traitement chimique Traitement mécanique Boues activées Phase aérobie Phase anaérobie (1) Minéralisation Oxygénation (2)(3) NitrificationDénitrification Echantillon B : eau issue du bassin de traitement biologique

8 Traitement des eaux usées Phase anaérobiePhase aérobie NH 4 + NO 3 - NO 2 - N2N2 NO 3 - NO 2 - Nitrosomonas Nitrobacter Pseudomonas Nitrification Dénitrification (2)(3)

9 Traitement des eaux usées Composés organiques (25 mg/L) Métaux lourds Nitrates (10 à 12 mg/L) Phosphates (3 à 5 mg/L) Agents potentiellement infectieux Médicaments, antibiotiques Traitement biologique : Résidus après traitements Echantillon C : eau en fin de traitement (qualité piscicole)

10 Traitement des eaux usées Traitement chimique : Elimination des phosphates résiduels Les phosphates sont éliminés par additions de sels de fer III ou daluminium. Les phosphates de fer et daluminium sont très peu solubles dans leau, ils précipitent et sédimentent dans le fond du bassin. Le traitement des phosphates est facultatif.

11 Composition des boues BOUE Eau 95% Organiques Minérales Matières sèches 70% 30% 50% de 5% à

12 Fraction organique Protéines30% Graisses13% Matières fibreuses33% Hydrates de carbone non fibreux [6] 24% Composition : Composition élémentaire : Carbone53% Hydrogène7,7% Oxygène33,5% Azote5% Soufre0,8%

13 Fraction organique Esters phtaliques1 à 100 ppm Hydrocarbures aromatiques polycycliques0,01 à 50 ppm Biphényles polychlorés (dioxines)0,15 à 9 ppm Pesticides (DDT, Lindane, Aldrin)0,1 à 5 ppm Contaminants organiques : *ppm :partie par million en masse, soit 1 ppm = 0,0001% en masse

14 Fraction organique Ester phtalique : Composé produit par lestérification de lacide phtalique. Acide phtalique DDT : Pesticide pouvant intervenir dans la formation dune dioxine (PCB). DDT Biphényles polychlorés (PCB) : 1-Chloro-naphthalène Ex: molécule chlorée possédant deux noyaux benzéniques (phényls).

15 Fraction minérale Silice : SiO 2 Alumine : Al 2 O 3 Chaux : CaCO 3 Magnésie : MgCO 3 Composition essentielle : Contaminants toxiques : Zn500 ppmNi*30 ppm Cu*400 ppmCd*5 ppm Fe200 ppmMo4 ppm Pb*120 ppmAs3 ppm B50 ppmHg*2 ppm Cr*50 ppmSe2 ppm * Principaux métaux lourds

16 Problématiques des boues Haute teneur en eau Nécessite un épaississement ou séchage des boues Haute teneur en matières minérales Présence de métaux lourds Micro organismes Agents potentiellement infectieux

17 Traitement des boues Oxydation par voie humide (OVH) Incinération/Co-incinération Epandage agricole ?* Enfouissement technique (CET) ?* * Procédé non durable toujours toléré Echantillon E : Boue destinée à lagriculture Echantillon D : Cendres issues de lincinération

18 Oxydation par voie humide Loxydation par voir humide (OVH): Réaction en phase aqueuse entre la matière organique et loxygène dissous à température et pression élevées Les boues ne doivent pas être séchées Une substance peut soxyder Soit directement Soit par lintermédiaire de radicaux. Un composé organique peut donc Soit se minéraliser Soit se transformer en composés plus simples à oxyder et se minéraliser ensuite. Réactions Solide/Liquide ou Liquide/Liquide.

19 Oxydation par voie humide Mécanismes radicalaires : Intervention du groupement hydroxyle (OH ) H 2 O 2 génère des radicaux OH en présence des espèces organiques :

20 Oxydation par voie humide Mécanismes radicalaires : Formation dacide carboxylique : Transformation en aldéhyde :

21 Oxydation par voie humide Mécanismes électrochimiques : Les hydrocarbures et les acides carboxyliques sont réduits directement en présence doxygène dissout : Réactions couplées avec la réduction de loxygène dissout :

22 Oxydation par voie humide Oxydation en phase aqueuse par O 2 dissous Utilise les Boues brutes Emissions gazeuses limitées Emissions liquides renvoyées en tête de station Résidu solide inerte (technosables) Pression :30 à 150 Bar Température :200 à 300°C Temps :1 heure

23 Oxydation par voie humide OVH T=235°C p=30 Bar t=1 heure Boues O2O2 m=1000kg m=250Kg Gaz m=310kg 73% deau Solide m=190kg 50% Matière sèche Effluent liquides m=750kg

24 Oxydation par voie humide Matières organiques Minéralisées en : CO, CO 2, H 2 O Transformées en : Acide acétique, Acides gras et alcools 80% 20% Azote (N) 70% 30% Solubilisé en ammoniaque : NH 4 OH Sous forme gazeuse : N 2

25 Oxydation par voie humide Phosphore (P) Oxydé en phosphates : PO 4 3- Chlore (Cl) Transformé en chlorures : Cl - ex.: HCl Soufre (S) Oxydé en sulfates : SO 4 2-

26 Incinération Combustion dans une flamme avec production de cendres Nécessite un séchage préalable des boues. Les atomes de C, H, S, N se combinent à loxygène à haute température (T>600°C). Le temps de réaction est de lordre de la seconde. Equation générale de combustion :

27 Incinération Combustion en phase gazeuse Utilise les Boues séchées Emissions gazeuses élevées Cendres Pression :1 atm Température :850°C Temps :2 secondes

28 Incinération T=850°C p=1 atm t=2 s Boues Air m=1000kg V=1700 Nm 3 Gaz V=2750 Nm 3 Fumées + polluants Solide m=70kg Cendres Nm 3 :Mètre cube normal (en CNTP)

29 Comparaison : OVH/Incinération OVHIncinération Boues brutesBoues séchées p30 à 150 Bar1 atm* T200 à 300°C850°C t1 heure2 secondes Oxydation par O 2 dissous en phase liquide Production de gaz limitée Résidu solide inerte Combustion en phase gazeuse Production de gaz élevée Cendres * Unité de pression archaïque : 1 atm = 1 Bar

30 Glossaire Biologie : Qui ne peut se développer quen présence dair. Processus aérobies, qui se déroulent en présence doxygène. Ant. : anaérobie [3] aérobie adj. [4] anaérobie adj. Biologie Qui ne peut vivre au contact de l'air. Processus anaérobies, qui se déroulent en l'absence d'oxygène. Ant. : aérobie [1] décantation n. f. Chimie : Action de décanter : Laisser reposer un liquide pour le séparer des matières solides qu'il tenait en suspension.

31 Glossaire 1. Dépôt formé par la précipitation de substances en suspension dans un liquide. 2. Dépôt abandonné par les eaux, les glaces ou le vent. [2] sédiment n. m. Biologie, écologie : Accroissement anarchique de la quantité de sels nutritifs d'un milieu, particularité d'une eau stagnante polluée par les résidus d'engrais ou par les rejets d'eau chaude (centrales électriques, etc.), qui provoque le pullulement de certaines espèces vivantes, la carence en oxygène, la production de vase, et lopacification de l'eau. [5] eutrophisation n.f. Sucre non polymère. Ex.: Glucose, saccharose (nom commun : sucre), fructose [6] Hydrate de carbone non fibreux

32 Bibliographie Guide « Leau à Bruxelles » : Coordination Senne, groupe de travail dEscaut sans Frontière en collaboration avec Brussels by Water, édité avec le soutien de la Région de Bruxelles-Capitale. Documents: Station dépuration de la vallée de la Dyle. Documents: Incinérateur de Basse-Wavre. « Traitements des boues dépuration : comparaison entre les procédés dOVH et dincinération » : C Gisèle Jung,André Fontana (ULB), Didier Cretenot et Merzah Belkhodja (Vivendi Water Systems), 249, 2002, Leau, lindustrie, les nuisances.

33 Bibliographie Internet Dictionnaire universel francophone en ligne : hachette-livre.fr Autres sources :

34 Staff Nicolas Beauvez Amal Bouamlat Nordine Boutayoust Cédric Bulembi Joël Jacquet Jean Landercy Christel Rodriguez Perez Sylvain Saintenoy Dodo Yaba-Ngale Mme De Jong Mme Staelens Professeurs :Elèves : 5 ème Technique Qualification Chimie Design by Degree Institut S t Joseph d Etterbeek Rue Félix Hap, 14 B1040 Etterbeek Tél.: Fax: Mme Jung (ULB) Marraine :

35 Staff Design by Degree Nicolas Amal Nordine Cédric Joël Jean Christel Sylvain Dodo


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