Ou le traitement des eaux usées et des boues d’épuration « Chercheurs d’eau » Ou le traitement des eaux usées et des boues d’épuration Printemps des sciences, ULB du 31 mars au 6 avril 2003 Institut St Joseph d’Etterbeek Rue Félix Hap, 14 B1040 Etterbeek Tél.: 02-735.81.10 Fax: 02-732.56.27 5ème Technique Qualification Chimie

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

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

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

Traitement des eaux usées Traitement biologique : Boue activée Boue issue des eaux usées mélangée avec les boues des fosses septiques contenant les bactéries actives. Phase aérobie [3] Utilisation des boues activées et apport d’oxygène pour la minéralisation des composés organiques (80% à 90%). (1) Substances organiques + O2  CO2 + PO43- + SO42- + NO3- Nitrification par bactéries (nitrosomas, nitrobacter) des ions ammonium (NH4+) issus de la décomposition des protéines. (2) NH4+  NO2-  NO3-

Traitement des eaux usées Traitement biologique : Phase anaérobie [4] Dénitrification des ions nitrates (NO3-) par bactéries anaérobiques (pseudomonas) qui puisent l’oxygène dans lesdits ions et rejettent de l’azote gazeux. (3) NO3-  NO2-  N2 60% à 90% de NOx- sont dénitrifiés. Les nitrates sont des fertilisants, mais ils contribuent à l’eutrophisation [5] des rivières.

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

Traitement des eaux usées Phase aérobie Phase anaérobie (2) (3) NH4+ N2 Nitrosomonas Pseudomonas Nitrification NO2- NO2- Dénitrification Nitrobacter Pseudomonas NO3- NO3-

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

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

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

Fraction organique Composition : Composition élémentaire : Protéines 30% Graisses 13% Matières fibreuses 33% Hydrates de carbone non fibreux [6] 24% Composition élémentaire : Carbone 53% Hydrogène 7,7% Oxygène 33,5% Azote 5% Soufre 0,8%

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

Fraction organique Ester phtalique : Composé produit par l’estérification de l’acide phtalique. Acide phtalique DDT : Pesticide pouvant intervenir dans la formation d’une dioxine (PCB). DDT Biphényles polychlorés (PCB) : Ex: molécule chlorée possédant deux noyaux benzéniques (phényls). 1-Chloro-naphthalène

Fraction minérale Composition essentielle : Contaminants toxiques : Silice : SiO2 Alumine : Al2O3 Chaux : CaCO3 Magnésie : MgCO3 Contaminants toxiques : Zn 500 ppm Ni* 30 ppm Cu* 400 ppm Cd* 5 ppm Fe 200 ppm Mo 4 ppm Pb* 120 ppm As 3 ppm B 50 ppm Hg* 2 ppm Cr* Se * Principaux métaux lourds

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

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

Oxydation par voie humide L’oxydation par voir humide (OVH): Réaction en phase aqueuse entre la matière organique et l’oxygène dissous à température et pression élevées Les boues ne doivent pas être séchées Une substance peut s’oxyder Soit directement Soit par l’intermédiaire 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.

Oxydation par voie humide Mécanismes radicalaires : Intervention du groupement hydroxyle (OH•) H2O2 génère des radicaux OH• en présence des espèces organiques :

Oxydation par voie humide Mécanismes radicalaires : Formation d’acide carboxylique : Transformation en aldéhyde :

Oxydation par voie humide Mécanismes électrochimiques : Les hydrocarbures et les acides carboxyliques sont réduits directement en présence d’oxygène dissout : Réactions couplées avec la réduction de l’oxygène dissout :

Oxydation par voie humide Oxydation en phase aqueuse par O2 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

Oxydation par voie humide m=310kg 73% d’eau Boues OVH T=235°C p=30 Bar t=1 heure Gaz m=1000kg O2 Solide m=250Kg m=190kg Effluent liquides 50% Matière sèche m=750kg

Oxydation par voie humide 80% Minéralisées en : CO, CO2, H2O Matières organiques 20% Transformées en : Acide acétique, Acides gras et alcools Solubilisé en ammoniaque : NH4OH 70% Azote (N) 30% Sous forme gazeuse : N2

Oxydation par voie humide Phosphore (P) Oxydé en phosphates : PO43- Chlore (Cl) Transformé en chlorures : Cl- ex.: HCl Soufre (S) Oxydé en sulfates : SO42-

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 l’oxygène à haute température (T>600°C). Le temps de réaction est de l’ordre de la seconde. Equation générale de combustion :

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

Incinération Incinération Boues Gaz p=1 atm Air T=850°C t=2 s Solide Fumées + polluants V=2750 Nm3 Boues Gaz Incinération T=850°C p=1 atm t=2 s m=1000kg Air Solide V=1700 Nm3 Cendres m=70kg Nm3 : Mètre cube normal (en CNTP)

Comparaison : OVH/Incinération Boues brutes Boues séchées p 30 à 150 Bar 1 atm* T 200 à 300°C 850°C t 1 heure 2 secondes Oxydation par O2 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

Glossaire [3] aérobie adj. Biologie : Qui ne peut se développer qu’en présence d’air. Processus aérobies, qui se déroulent en présence d’oxygène. Ant. : anaérobie [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.

Glossaire [5] eutrophisation n.f. 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 l’opacification de l'eau. [6] Hydrate de carbone non fibreux Sucre non polymère. Ex.: Glucose, saccharose (nom commun : sucre), fructose [2] sédiment n. m. 1. Dépôt formé par la précipitation de substances en suspension dans un liquide. 2. Dépôt abandonné par les eaux, les glaces ou le vent.

Bibliographie Guide « L’eau à Bruxelles » : Coordination Senne, groupe de travail d’Escaut sans Frontière en collaboration avec Brussels by Water, édité avec le soutien de la Région de Bruxelles-Capitale. Documents: Station d’épuration de la vallée de la Dyle. Documents: Incinérateur de Basse-Wavre. « Traitements des boues d’épuration : comparaison entre les procédés d’OVH et d’incinération » : C Gisèle Jung,André Fontana (ULB), Didier Cretenot et Merzah Belkhodja (Vivendi Water Systems), 249, 2002, L’eau, l’industrie, les nuisances.

Bibliographie Internet Dictionnaire universel francophone en ligne : www.francophonie. hachette-livre.fr Autres sources : www.ademe.fr www.aquiris.be

Staff Institut St Joseph d’Etterbeek Rue Félix Hap, 14 B1040 Etterbeek Tél.: 02-735.81.10 Fax: 02-732.56.27 5ème Technique Qualification Chimie Elèves : Professeurs : 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 Marraine : Mme Jung (ULB) Design by Degree 

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