Sections
- Présence de contaminants dans les eaux usées
- Processus de séparation des eaux usées
- Concentration des contaminants séparés
- Résumé
Présence de contaminants dans les eaux usées
L’eau naturelle la plus pure se trouve dans l’atmosphère sous forme de vapeur. Lors de sa précipitation sur terre sous forme de pluie, elle entraîne avec elle des impuretés qui se trouvent en suspension dans l’air (poussière, pollen, etc.). Une bonne partie de cette eau finit dans la mer, ce qui contribue à maintenir l’équilibre salin et la purification de ce milieu, tandis que le reste se dépose sur la surface solide de la planète, nourrissant rivières, marais et lacs, ainsi que les aquifères souterrains. De plus, nous avons l’eau qui précipite sous forme solide pendant les périodes hivernales et/ou dans les points élevés des montagnes.
L’eau pure a tendance à se combiner à la recherche de sa stabilité, ce qui en fait un bon solvant. Ainsi, les sels minéraux solubles qu’elle rencontre en chemin s’intègrent en son sein par un processus connu sous le nom de dissolution, ce qui contribue de manière importante au phénomène d’érosion et de transformation des terrains.
Ces sels dissous contribuent à la potabilité et à la conductivité de l’eau, mais lorsque certains seuils de salinité sont dépassés, ils deviennent un contaminant qu’il faut gérer.
L’élimination de ces sels est également effectuée lorsque de l’eau de processus avec une faible salinité ou aucune salinité (eaux déminéralisées) est requise, ou lorsque certains contaminants spécifiques doivent être séparés de manière sélective, comme dans le cas des adoucissements, de l’élimination des nitrates, ou des séparations sélectives de certains cations et anions.
En plus des composés inorganiques, l’eau peut également contenir une contamination organique d’origine végétale et animale, ainsi que d’autres contaminants tels que des composés organiques, des bactéries, des virus, etc. Cependant, une grande partie de la contamination des eaux provient de l’activité humaine, tant domestique qu’industrielle.
Les technologies de purification des eaux permettent de séparer différents types de particules en fonction de leur taille et de leur nature. De cette manière, l’eau est régénérée pour sa réutilisation ou son rejet.
Ces technologies peuvent être regroupées en fonction de la magnitude sur laquelle elles se basent pour effectuer la séparation.
Processus de séparation des eaux usées
Séparation des contaminants par masse
Pour la séparation des solides de grande ou moyenne taille (jusqu’à environ 1 mm), des systèmes purement physiques sont utilisés. Comme les grilles, les tamis et les cribles, qui ne sont rien d’autre que des processus de filtration ouverts avec une lumière de passage adaptée à la taille des solides. L’extraction des solides séparés est mécanique et se fait généralement par des râteaux manuels ou des peignes automatiques.
D’autres méthodes de séparation physique sont la décantation et la flottation, qui permettent l’élimination des matériaux en suspension. La flottation combine la sédimentation avec la flottation des matériaux moins denses, avec ou sans aide d’air insufflé.
La décantation et la centrifugation sont des processus de séparation qui tirent parti de la différence de masse et de densité des particules par rapport au solvant pour obtenir la séparation. Plus les particules sont lourdes, plus leur séparation est facile.
Des réactifs chimiques (coagulants et floculants) sont souvent utilisés pour atteindre des rendements de séparation plus élevés. Cette combinaison de processus chimiques et physiques est connue sous le nom de processus physico-chimique.
Il existe des alternatives à la centrifugation pour le traitement des effluents avec de fortes charges de boues, comme la séparation par filtres presse ou par filtres à bande, qui utilisent des toiles filtrantes pour séparer les solides.
Séparation des contaminants par taille
Les processus suivants sont utilisés pour la séparation des contaminants de plus grande taille :
- Systèmes de filtration simple sur lits de sable.
- Systèmes doubles sable / anthracite.
- Systèmes de diatomées ou mixtes.
Ce sont des technologies physiques de séparation qui utilisent la percolation pour retenir les contaminants solides dans le lit filtrant. Ces systèmes de filtration peuvent atteindre des niveaux fiables de 50 – 100 μm de séparation.
Pour filtrer des particules de tailles inférieures, des technologies de séparation avec des membranes de microfiltration, ultrafiltration et nanofiltration sont utilisées. Lorsque nous filtrons à ces niveaux, nous parlons d’unités de mesure telles que la fraction de micra et le Dalton.
Séparation des contaminants par diffusion
Lorsqu’il est nécessaire de réduire la charge saline de l’eau usée, des traitements plus sophistiqués peuvent être envisagés, comme la diffusion à travers des membranes semi-perméables, comme dans le cas de l’osmose inverse, de la dialyse ou de l’électrodialyse. Ces technologies réduisent la salinité totale (TDS) de plus de 99 %. L’unité de mesure à niveau dimensionnel est l’Amstrong, mais en pratique, la conductivité (μS/cm) de l’eau traitée, appelée perméat, est mesurée.
Les technologies de filtration (microfiltration, ultrafiltration et nanofiltration) tirent parti de la différence de taille des particules que l’on souhaite séparer par rapport à la taille des pores de la membrane. Ce n’est pas le cas de l’osmose inverse.
L’osmose inverse exploite la diffusion ou la perméabilité des substances contaminantes pour traverser une membrane. Alors que le solvant traverse la membrane avec une relative facilité, les particules en suspension et dissoutes ne peuvent pas le faire, ou cela leur coûte beaucoup.
Ce même principe s’applique également aux processus de dialyse et d’électrodialyse, bien que dans ce dernier cas, l’application d’un potentiel électrique agisse comme force motrice permettant la séparation.
Séparation des sels par charge ionique
Les résines d’échange ionique sont une autre technologie efficace et très populaire pour la séparation des sels, car elles permettent d’obtenir des eaux déminéralisées de haute qualité (conductivité ≤ 0,1 μS/cm).
Pour obtenir de l’eau ultrapure, on utilise les fameux lits mixtes (LM) de résine cationique et anionique, ou bien les systèmes mixtes de membranes et de résines appelés Électrodésionisation (EDI).
Dans le cas de l’échange ionique, la charge ionique permet d’établir des différences entre certains ions et d’autres. Par exemple, une résine cationique échangera les ions chargés positivement (cations) sans interagir avec les ions chargés négativement (anions).
Séparation par pression de vapeur
La distillation sépare et condense chaque composé par l’ébullition de l’eau usée. Les différents contaminants se séparent à différents points d’évaporation, de condensation et de pression de vapeur.
Ce processus repose sur la différence de pression de vapeur des substances pures qui composent le mélange à traiter. Plus la différence entre les pressions de vapeur des différents composants du mélange est grande, plus il sera facile de séparer les substances par distillation.
Séparation par solubilité
La différente solubilité d’un soluté dans un fluide ou un autre permet d’effectuer une séparation efficace par absorption ou par extraction.
Séparation par surface spécifique
Le charbon actif offre de grandes surfaces avec une haute tension superficielle en raison de sa porosité morphologique et des micro-différentiels de charge. Ces caractéristiques favorisent l’adhésion de petites particules.
Séparation des contaminants par évaporation sous vide et cristallisation
Les évaporateurs sous vide atteignent l’ébullition des eaux usées à basse température en fonctionnant sous vide. Cela permet une économie d’énergie importante, tout en séparant et déshydratant les contaminants jusqu’à les cristalliser dans les cristallisateurs sous vide. Ce processus permet d’obtenir une eau condensée de meilleure qualité.
Les évaporateurs sous vide se distinguent dans le traitement des rejets complexes, car ils permettent d’atteindre de fortes concentrations dans les matériaux séparés, qui parfois sont récupérables.
Le tableau suivant présente les différentes méthodes et technologies de séparation des contaminants présents dans les eaux usées :
Concentration des contaminants séparés
Les déchets séparés par les technologies analysées dans cet article ont des concentrations variant de 1 à 4 %, à l’exception de ceux séparés dans des grilles et des tamis qui ont des concentrations plus élevées.
La plupart de ces contaminants doivent être envoyés à des gestionnaires autorisés, il est donc important de minimiser leur volume pour réduire les coûts de gestion et de transport. De plus, sauf exceptions, les décharges n’acceptent pas les déchets avec des concentrations inférieures à 30 % en MS, ce qui signifie qu’ils doivent être soumis à des processus de concentration par différents systèmes de déshydratation.
Les processus les plus courants pour réduire leur volume sont les systèmes de filtrage mécanique tels que les filtres presse et les filtres à bande qui utilisent des toiles filtrantes pour concentrer les déchets, ou bien les décanteurs centrifuges qui les concentrent par force centrifuge. Ces déchets sont généralement soumis à des processus de coagulation et de floculation afin d’améliorer le rendement du séchage mécanique.
Comme indiqué dans la section précédente, il existe d’autres systèmes de séparation et de concentration des contaminants tels que l’évaporation et la cristallisation sous vide. Ces technologies sont les plus efficaces pour minimiser les déchets à envoyer à un gestionnaire, tout en permettant d’obtenir des condensats de haute qualité qui, dans de nombreux cas, peuvent être réutilisés comme sous-produits, contribuant ainsi à réduire les coûts d’exploitation des stations de traitement des eaux usées.
Les technologies d’évaporation et de cristallisation sont particulièrement efficaces lorsque des sources d’énergie économiques sont disponibles. Par exemple, lorsqu’il y a disponibilité d’énergie excédentaire comme de la vapeur ou de l’eau chaude, ou lorsque des sources d’énergies renouvelables sont disponibles.
L’humidité des déchets résultants peut être réduite jusqu’à leur quasi-sécheresse, ce qui entraîne un coût de transport et d’évacuation ou de manipulation réduit.
L’utilisation des cristallisateurs est généralement limitée à la récupération de produits précieux, ou à la concentration maximale de contaminants dangereux.
Résumé
Les eaux usées contiennent des substances contaminantes qui se trouvent dans le milieu naturel, ou qui sont apportées par les activités humaines. Ces contaminants doivent être séparés pour utiliser ces eaux dans des processus spécifiques, ou pour les retourner à l’environnement, pour cela différentes techniques de traitement sont utilisées en fonction du type de substances et de la destination de l’eau traitée.
Les processus les plus utilisés vont d’un simple tamisage à des systèmes d’obtention d’eaux ultrapures par échange ionique et membranes semi-perméables.
Les contaminants séparés le sont sous forme de déchets solides ou de boues, et, dans la plupart des cas, nécessitent leur conditionnement et déshydratation pour être envoyés à un gestionnaire.
Dans le cas de déchets valorisables, des systèmes d’évaporation sous vide et/ou de cristallisation sont utilisés, afin de minimiser leur volume et leur coût, tout en récupérant un condensat de haute qualité.
