L’oxydation par voie humide Cours de traitement des eaux usées industrielles Prof. C. Pulgarin Stéphanie Pilet – Caroline Villard 17 avril 2008

Traitement des eaux usées industrielles L'oxydation par voie humide Introduction 1. Introduction 2. Fonctionnement 3. Exemples 4. Conclusions Technique de traitement des boues d’épuration et d’effluents industriels Pour satisfaire des règlementations de plus en plus strictes 200 litres d’eaux usées → 5 litres de boues → 1 tasse à café OVH Traitement des eaux usées industrielles L'oxydation par voie humide

Traitement des eaux usées industrielles L'oxydation par voie humide Fonctions 1. Introduction 2. Fonctionnement 3. Exemples 4. Conclusions Destruction de composés spécifiques Elimination de la toxicité et/ou de la réactivité Prétraitement pour produire des résidus organiques facilement biodégradables Grande diminution de la DCO (demande chimique en oxygène): 99,5% à la place de 70% Traitement des eaux usées industrielles L'oxydation par voie humide

Domaines d’application 1. Introduction 2. Fonctionnement 3. Exemples 4. Conclusions Pollution organique à problème (DCO difficile à éliminer, toxique...) Boues résiduaires de stations d'épuration urbaines (New York, Chicago) et industrielles Effluents de l'industrie chimique, pétrochimique et papetière, etc. Effluents liquides toxiques contenant cyanures, sulfites, phénols, pesticides, etc. Traitement des eaux usées industrielles L'oxydation par voie humide

Situation dans la chaîne de traitement 4. Conclusions 3. Exemples 2. Fonctionnement 1. Introduction Voici un schéma général d’une station d’épuration, avec les eaux usées qui arrivent ici, qui subissent premièrement le dégrillage, ensuite la décantation primaire où les boues primaires sont enlevées et vont vers une digestion anaérobie. Le reste de l’effluent continue son chemin vers le traitement biologique d’où sont tirées les boues en excès qui rejoigne également le digesteur. L’effluent liquide ressort donc ici, traité. Une fois que toutes les boues sont stockées dans le digesteur, elles passent dans le système qui nous intéresse, soit le réacteur d’oxydation par voie humide. Une fois que les boues ont subi ce traitement, les rejets liquides sont recirculés vers la biologie et le reste, qui est plus solide, va vers la déshydratation et il reste les résidus minéraux. Traitement des eaux usées industrielles L'oxydation par voie humide

Fonctionnement technique 4. Conclusions 3. Exemples 2. Fonctionnement 1. Introduction 1) Entrée des boues d’épuration primaires et secondaires 2) Préchauffage des boues par échangeur de chaleur 3) Réacteur à haute pression (70 à 150 bars) et haute température (250°C à 300°C), ajout d’oxygène par jet à débit contrôlé 4) Rejet et traitement des gaz 5) Rejet des effluents liquides et minéraux 5 Voilà comment fonctionne le procédé d’oxydation par voie humide : Premièrement, on a l’arrivée des boues primaires et secondaires auxquelles on va ajouter de l’oxygène. Ensuite, au point 2, il y a un échangeur de chaleur qui permet de préchauffer les boues. Ces boues qui vont ensuite dans le réacteur d’oxydation par voie humide et c’est là-dedans qu’ont lieu toutes les réactions qui nous intéressent et dont on va parler plus loin. Dans ce réacteur, il y a une haute pression (70 à 150 bars) et une haute température (250°C à 300°C). La haute pression permet que l’eau reste sous forme liquide et ne passe pas en phase gazeuse à ces températures élevées. De plus, pour une pression et une température proches du point critique de l’eau (c’est le point où l’eau est autant à l’état gazeux, liquide et solide) (à 374.2 °C et 221 bars), l’eau et l’oxygène ont des propriétés physico-chimiques très semblables, ce qui fait que ces deux éléments sont très miscibles. Les réactions d’oxydation sont exothermiques, c’est-à-dire qu’elles libèrent de l’énergie sous forme de chaleur et cette chaleur est récupérée par un système qui transforme de l’eau en vapeur, ici, et c’est cette énergie qu’on utilise au point 2 pour préchauffer les boues. Dans de bonnes conditions, le système entier peut devenir indépendant du point de vue énergétique. Dans le réacteur, le temps de contact varie entre une demi heure et une heure. Finalement, il y a une étape de séparation des phases. Les gaz sont traités puis rejetés dans l’atmosphère et la phase liquide peut soit être rejetée, soit être recirculée vers un traitement biologique car elle contient des composés facilement biodégradables. Traitement des eaux usées industrielles L'oxydation par voie humide

Principales réactions d’oxydation 4. Conclusions 3. Exemples 2. Fonctionnement 1. Introduction Composés organiques + O2 → CO2 + H2O + RCOOH Espèces sulfurées + O2 → SO42- Cl organique + O2 → Cl- + CO2 + RCOOH N organique + O2 → NH3 + CO2 + RCOOH P + O2 → PO43- Voici les principales réactions d’oxydation qui ont lieu dans le réacteur. Comme ce sont des oxydations, à chaque fois on a un composé qui réagit avec de l’oxygène. Premièrement avec des composés organiques. Puis des espèces avec du soufre, ensuite du chlore organique (ex : CH3Cl, de l’azote organique et du phosphore. A droite, on a les produits de ces réactions et on retrouve souvent des résidus organiques, ce sont ces RCOOH, R ça veut dire que ça peut être n’importe quel radical. Ce sont souvent des courtes chaînes d’acide organique comme l’acide acétique. Traitement des eaux usées industrielles L'oxydation par voie humide

Traitement des eaux usées industrielles L'oxydation par voie humide Rejets 4. Conclusions 3. Exemples 2. Fonctionnement 1. Introduction Liquide : Eau + composés dissous, facilement biodégradable Peut subir un traitement biologique (recirculation en tête de station, dans la biologie) Gaz : Vapeur d’eau + CO2 + azote moléculaire + traces de COV (polluants) Rejeté dans l’atmosphère après traitement sur un réacteur catalytique Solide : Galette inerte constituée d’éléments minéraux, aluminium, phosphates, carbonates, métaux lourds (« technosables ») Contient moins de 5% de matière organique Envoyé en déshydratation Quelques mots sur les rejets de ce processus. Ils sont de trois types. Premièrement le liquide qui est composé principalement d’eau et d’éléments dissous. Comme déjà dit, ce rejet est facilement biodégradable, donc on peut le recirculer dans un traitement biologique pour dégrader encore mieux les substances qu’il contient. Ensuite, les rejets gazeux : constitués de vapeur d’eau, de CO2, d’azote moléculaire et de traces de COV. Les composés organiques volatiles sont problématiques car ce sont des polluants qui engendrent la création d’ozone dans la troposphère, ce qui provoque des problèmes de santé à l’Homme. Il faut donc traiter ces gaz avant leur rejet dans l’atmosphère et ceci est réalisé sur un réacteur catalytique, un peu comme le catalyseur pour les voitures. Le troisième type de rejet : les solides. Ce sont des galettes inerte, donc composées d’éléments qui ne réagissent plus, ce sont principalement des éléments minéraux, de l’aluminium, des phosphates, des carbonates et des métaux lourds. C’est vraiment très minéral étant donné qu’il ne reste plus que 5% de matière organique. Ces galettes subissent encore une étape de déshydratation et ensuite, elles peuvent être valorisés sous forme de technosable pour faire des routes ou du béton. Sinon, elles sont stockées en décharge pour matériaux inertes. Les éléments qu’elles contiennent, comme les métaux lourds sont fixés dans ce solide et sont non lixiviable, ce qui évite une pollution des sols. Traitement des eaux usées industrielles L'oxydation par voie humide

Projet pilote à Toulouse (1) 4. Conclusions 3. Exemples 2. Fonctionnement 1. Introduction Dimensionnement Traitement des eaux usées industrielles L'oxydation par voie humide

Projet pilote à Toulouse (2) 4. Conclusions 3. Exemples 2. Fonctionnement 1. Introduction Répartition des coûts Maintenance Traitement des eaux usées industrielles L'oxydation par voie humide

Projet pilote à Toulouse (3) 4. Conclusions 3. Exemples 2. Fonctionnement 1. Introduction Evolution des coûts d’exploitation 1000 tonnes de matière sèche par année Traitement des eaux usées industrielles L'oxydation par voie humide

STEP d’Epernay (France) 4. Conclusions 3. Exemples 2. Fonctionnement 1. Introduction Investissement : 3 millions de plus qu’une station « normale » Retour sur investissement en 8 ans Diminution des coûts liés à l’incinération Comme deuxième exemple d’installation d’oxydation par voie humide, nous allons vous passer un petit film de 2 minutes sur la STEP d’Epernay en France qui a été la première d’Europe équipée avec un tel procédé. On retient quelques points de ce film : l’investissement a été de 3 millions plus élevé que pour une STEP normale, ce chiffre est élevé car il s’agit d’une grosse STEP. En suisse, il y a une installation comme ça à Orbe qui est une assez petite commune et l’investissement à été de environ 200’000 francs. Iils espèrent un retour sur investissement en 8 ans et on note encore que c’est une solution pour parer au fait qu’on peut de moins en moins épandre les boues d’épuration sur les champs (ça c’est en France, en Suisse c’est maintenant interdit) et que comme il faut les incinérer, moins on a de boues mieux c’est puisque ça coûte cher. Traitement des eaux usées industrielles L'oxydation par voie humide

Traitement des eaux usées industrielles L'oxydation par voie humide Avantages 4. Conclusions 3. Exemples 2. Fonctionnement 1. Introduction Avantages environnementaux recyclage possible des résidus solides effluent traité conforme pour rejet en eaux de surface ou dans un traitement biologique très importante réduction du volume de boue (transformée en résidu minéral inerte) récupération d'énergie sous forme de vapeur ou d'eau chaude pas d'émission gazeuse toxique (SO2, NOx ou CO) grâce au traitement à basse température et au réacteur catalytique pas de rejets de poussières grâce au milieu liquide Avantages financiers coûts de fonctionnement réduits investissement modéré procédé complètement automatisé très compact (faible encombrement) faible coût d’élimination des boues En conclusion, on va présenter les avantages et les limites liés à cette méthode. Comme avantage environnementaux, on peut recycler les résidus solides, comme on l’a vu avec le technosable. L’effluent liquide est traité suffisamment pour être rejeté en eau de surface ou alors on peut le recirculer dans la biologie. Le volume final des boues est diminué par rapport à un traitement normal et les résidus sont des matériaux inertes. Le système peut fonctionner de manière autonome en récupérant l’énergie crée par les réactions d’oxydation. Les émissions de gaz toxiques peuvent être évités car le traitement à lieu à une température relativement faible, ce qui évite la formation de SO2, NOx ou CO qui sont des composés qui se forment qu’à très haute température. Le milieu liquide permet d’éviter des rejets de poussières. Financièrement, … Traitement des eaux usées industrielles L'oxydation par voie humide

Traitement des eaux usées industrielles L'oxydation par voie humide Limites 4. Conclusions 3. Exemples 2. Fonctionnement 1. Introduction Sécurité et règlementation relatives aux équipements sous pression Maintenance Surveillance permanente : nuit et week-end = télésurveillance Personnel qualifié Comme limites, on peut mentionner que c’est un procédé qui se passe sous des conditions de pression élevée, donc il y a des mesures de sécurité à observer et des règlementations strictes à respecter. Il faut réaliser une maintenance assez soutenue et surveiller en permanence. Donc la nuit et le week-end, il faut une télésurveillance. Et enfin, le personnel doit avoir un minimum de qualification pour faire fonctionner correctement l’installation. Traitement des eaux usées industrielles L'oxydation par voie humide

Traitement des eaux usées industrielles L'oxydation par voie humide Sources Granit technologies SA, The Granit® Wet Oxidation Process, http://www.granit.net/pdf/BrochureOVH.pdf VIVENDI Environnement, L’oxydation par voie humide, http://www.waternunc.com/fr/dosboues_VE01_082002.htm Vivendi Waters systems, Les nouveaux procédés de traitement thermique des boues : l’oxydation par voie humide, http://www.senat.fr/rap/l02-215-2/l02-215-287.html Siemens, Zimpro® Wet Air Oxidation, http://www.water.siemens.com/en/Product_Lines/Zimpro_Products/Zimpro_Products/Pages/Zimpro_Wet_Air_Oxidation.aspx Zimpro® Wet Oxidation: Innovative Technology for Difficult Waste Treatment Problems, http://www.water.siemens.com/SiteCollectionDocuments/Product_Lines/Zimpro/Brochures/ZP-WAO-BR-0906.pdf Epernay pays de Champagne, Film OVH, http://www.step-epernay-mardeuil.com/Default.aspx?tabid=540 Traitement des eaux usées industrielles L'oxydation par voie humide