Traitement des effluents générés dans l’industrie métallurgique-mécanique

Effluents du secteur métallurgique

Le secteur métallurgique comprend un grand nombre d’activités économiques, très différentes les unes des autres, qui partagent à la fois les matériaux qu’elles utilisent, ainsi que les déchets et effluents qu’elles génèrent. Les activités les plus importantes de ce secteur sont les structures métalliques et la chaudronnerie.

La première inclut tout type de construction métallique faite à partir de tubes, profils et tôles, vissés, rivetés ou soudés.

La chaudronnerie regroupe un grand assortiment de pièces et d’équipements fabriqués avec de la tôle et qui incluent des joints étanches ; les produits peuvent aller du réservoir typique aux échangeurs de chaleur ou évaporateurs, en passant par des tubes et conduits, serpentins, etc.

D’autres activités incluses dans ce secteur sont celles de transformation des métaux sans enlèvement de copeaux (par estampage, extraction, tréfilage, emboutissage), celles de mécanisation avec enlèvement de copeaux (fraisage, tournage, rectification, découpe, etc.) et celles de finitions basées sur des traitements thermiques et de surfaces. Ainsi, la variété d’activités est vraiment large.

Toutes ces activités ont en commun d’utiliser comme matière première les mêmes matériaux : acier, fer, acier inoxydable, aluminium, etc., en plus de produire des impacts environnementaux similaires.

Fondamentalement, les aspects qui causent le plus d’incidences sur l’environnement sont les émissions de gaz nocifs et polluants dans l’atmosphère, la génération d’effluents liquides qui doivent être correctement traités avant leur déversement et la production de déchets solides.

En raison du type d’activité, ce type d’industrie est un grand consommateur d’huiles lubrifiantes, utilisées régulièrement pour faciliter la lubrification et le refroidissement dans les différentes modalités de coupe, de moulage et de traitement mécanique des pièces métalliques.

Ces huiles lubrifiantes, une fois utilisées, se transforment en un déchet liquide polluant qui doit être géré correctement.

Parmi tous les produits utilisés, ceux qui ont le plus de pertinence sont les émulsions de coupe, qui sont majoritairement utilisées dans l’industrie de l’usinage métallique en raison de leurs propriétés :

• Lubrifiantes, protégeant les outils en réduisant la friction.
• De refroidissement, évitant une surchauffe des pièces et des outils, ce qui provoquerait des microsoudages entraînant un mauvais fini de surface.
• D’évacuation des copeaux, évitant l’effet abrasif de ceux-ci.
• De prévention de la corrosion des machines et des pièces.

Ainsi, l’utilisation des émulsions de coupe est nécessaire dans les processus où il y a un contact direct entre la pièce métallique en cours de traitement et l’outil utilisé en raison de leurs propriétés lubrifiantes, de refroidissement, d’évacuation des copeaux et limaille produites, ainsi que de prévention de la formation d’oxyde.

Caractéristiques des émulsions de coupe comme polluants

Au fur et à mesure que les émulsions de coupe sont utilisées, leurs propriétés diminuent, leur performance se dégrade et elles se contaminent avec des agents externes tels que des huiles et des graisses, des particules métalliques, de la poussière ambiante, des microorganismes qui dégradent la matière organique, etc.

Arrivées à ce stade, les émulsions de coupe deviennent des déchets hautement polluants, tant pour l’environnement que pour l’environnement de travail, c’est pourquoi elles sont considérées comme des déchets dangereux par la réglementation européenne.

À leur potentiel polluant s’ajoute le fait que leur gestion correcte est très coûteuse, en raison de la proportion élevée d’eau qu’elles contiennent, ce qui augmente le volume de déchet original en plus de produire une forte émulsion, ce qui complique par la suite les processus de séparation et de purification.

Pour améliorer leur capacité lubrifiante, dans la formulation des émulsions de coupe, on inclut de l’huile et, pour augmenter leur capacité de refroidissement, on ajoute de l’eau.

Cela fait qu’à un niveau industriel, il existe de nombreux types différents d’émulsions de coupe, qui sont en réalité une émulsion huile-eau, selon les propriétés que l’on souhaite renforcer.

Étant donné que l’eau et l’huile sont les composants principaux des émulsions de coupe, elles incorporent également une longue liste d’additifs, parmi lesquels se distinguent les suivants :

• Tensioactifs : sulfonates de sodium et glycols
• Inhibiteurs de corrosion : amines, amides, borates, nitrites, etc.
• Humectants : alcools, phosphates, etc.
• Antimousse : esters, silicones, dérivés éthoxylés, etc.
• Biocides : formoles, phénols, bore, polyglycols, etc.
• Additifs pour fonctionnement à haute pression

La consommation d’émulsions de coupe est continue et périodique, en raison de la perte de leurs propriétés et de la consommation nette produite par les déversements et les traînées avec les pièces.

L’utilisation continue des émulsions de coupe fait que leurs propriétés diminuent en raison des températures élevées atteintes lors de l’usinage des métaux, les composants les plus volatils s’évaporent.

Les pertes d’émulsions de coupe produites par les déversements, le traînage avec les pièces, etc. s’ajoutent aux eaux usées générées dans l’usine et forment l’effluent connu sous le nom d’“eaux huileuses”.

D’autre part, les bains d’émulsions de coupe se contaminent à mesure que leur utilisation augmente (avec des impuretés métalliques) et sont également soumis à des processus de dégradation microbiologique ; pour toutes ces raisons, leur remplacement périodique est nécessaire et des déchets liquides appelés “émulsions de coupe épuisées” sont générés.

Dans les entreprises qui consomment beaucoup d’émulsions de coupe, il existe des unités de récupération d’émulsions de coupe qui, après un processus de séparation des limaille et copeaux métalliques, permettent de prolonger un peu plus la durée de vie du bain d’émulsions de coupe.

Ainsi, les processus qui utilisent des émulsions de coupe génèrent des effluents toxiques et irritants contenant des métaux lourds, des biocides, des produits de décomposition de nature toxique, etc. qui font que la réglementation européenne les classe comme déchets dangereux et qu’ils ne peuvent pas être évacués dans le réseau public d’égouts en raison des graves problèmes qu’ils causeraient dans les installations de purification.

La plupart des processus conventionnels utilisés dans le traitement des émulsions de coupe doivent être révisés et mis à jour en raison, principalement, de deux facteurs.

D’une part, la législation en matière de déversements est de plus en plus stricte et restrictive. D’autre part, il devient de plus en plus évident qu’il y a des difficultés pour un traitement efficace.

Ces difficultés trouvent leur origine dans le changement récent de la formulation des émulsions de coupe, qui, au détriment des émulsions d’huile, sont devenues de nature synthétique, rendant plus difficile la rupture de l’émulsion et donc, également la séparation de la fraction huileuse de l’émulsion de coupe.

En plus des émulsions de coupe, les eaux usées générées dans les activités du secteur métallurgique présentent également des solides en suspension, divers métaux, une conductivité élevée, des phosphates et des tensioactifs.

Traitements des émulsions de coupe

Il existe différentes méthodes de traitement de ces effluents, qui peuvent être classées en fonction de leur caractère destructif ou non destructif.

Parmi les méthodes non destructives, on trouve le traitement chimique, le traitement par membranes et l’évaporation. Et parmi les méthodes destructives, on trouve le traitement biologique, l’incinération et les processus d’oxydation avancés (oxydation humide et oxydation avec eau supercritique, OASC).

Ci-dessous, les différentes alternatives de traitement sont analysées séparément :

Processus chimique

C’est l’un des traitements les plus utilisés au siècle dernier car la base est très connue et facilement évolutive sur une large gamme de débits à traiter.

La philosophie du traitement repose sur la neutralisation des charges superficielles afin de rompre l’émulsion.

Traditionnellement, cela a été réalisé par l’ajout d’acides inorganiques tels que l’acide sulfurique ou chlorhydrique et des sels tels que le chlorure de sodium, le chlorure de calcium, le sulfate ferrique, le chlorure de fer et de magnésium et le sulfate d’aluminium. L’ajout d’une quantité suffisante de cation entraîne le processus de désémulsification.

Cependant, dans la formulation des émulsions de coupe, on a cherché à obtenir des produits plus stables pour résister à l’attaque des cations libérés lors des processus de coupe et d’usinage des métaux qui tendent à rompre l’émulsion.

Cela a été obtenu par la dosification d’agents émulsifiants et dispersants, ce qui a rendu le traitement des émulsions de coupe plus difficile par ce traitement.

Une variante à l’ajout de sels inorganiques pour la rupture de l’émulsion est l’utilisation de polymères. Le principe est le même, les polymères avec des cations de grande charge ont pour objectif de déstabiliser les charges négatives des gouttes d’huile.

Le reste des polluants présents dans les eaux usées qui accompagnent les émulsions de coupe peut également être éliminé dans ce processus, bien que selon la composition exacte de l’effluent, le processus physico-chimique doive être adapté.

Traitement par membranes

Les membranes utilisées sont celles d’ultrafiltration, car celles de microfiltration n’ont pas une capacité de rétention adéquate et celles de nanofiltration et d’osmose inverse se salissent facilement avec des composés organiques de grande taille moléculaire.

Grâce à l’ultrafiltration, de bons résultats ont été obtenus en travaillant à basse pression, bien qu’il existe certaines conditions d’exploitation que les membranes ne tolèrent pas, comme c’est le cas de la température modérée-élevée (supérieure à 60 ºC), des valeurs de pH extrêmes, une grande quantité de solides, de grandes quantités d’huiles non émulsionnées, la présence de solvants, etc.

De plus, il ne faut pas perdre de vue que les molécules de faible poids moléculaire peuvent facilement traverser la membrane d’ultrafiltration.

Évaporation sous vide

L’évaporation sous vide permet un traitement efficace de ces effluents pour lesquels les méthodes conventionnelles ne sont pas une solution.

Il s’agit d’une technologie simple, robuste et mature qui permet le traitement des eaux huileuses avec une grande efficacité et qui s’adapte facilement aux variations tant en volume qu’en concentration de l’effluent à traiter.

La technologie a évolué au cours des dernières décennies au point que la consommation énergétique est modérée et elle se présente comme l’une des alternatives de traitement les plus compétitives.

Cela contribue à la fois à la qualité de l’eau séparée et au petit volume de déchets générés. À cet égard, c’est la seule alternative de traitement qui, à elle seule, est capable de réduire le volume d’effluent à des quantités très réduites sans avoir besoin de processus complémentaires.

Traitement biologique

En raison de l’inclusion dans la formulation des émulsions de coupe d’agents antimicrobiens qui permettent au produit de ne pas être dégradé par l’action microbiologique, comme c’est le cas des dérivés du bore, des phénols, des formoles et des polyglycols, le traitement biologique en tant que traitement unique de ces eaux usées n’est pas très efficace.

Pour obtenir des rendements acceptables de purification, il est nécessaire de combiner le traitement biologique avec un processus physico-chimique préalable et, même, parfois, il est nécessaire de raffiner l’effluent traité par des traitements tertiaires.

Incinération

Bien que l’incinération d’huiles et de graisses soit faisable en raison de l’énergie libérée par leur combustion directe, dans le cas des eaux usées générées dans ce type d’industries, qui présentent une proportion élevée d’eau, l’incinération de cet effluent n’est pas un processus viable pour son traitement, à moins qu’il ne soit précédé d’un processus d’évaporation.

Processus d’oxydation avancés (oxydation humide et oxydation avec eau supercritique (OASC)

L’oxydation humide consiste en un processus d’oxydation en phase aqueuse à des pressions et températures modérées-élevées (50-200 bar et 100-300 ºC). Dans ces conditions, le traitement d’effluents avec des charges élevées ou contenant des composés toxiques qui rendent les traitements conventionnels non viables est possible.

L’oxydation en eau supercritique se distingue de l’oxydation humide en ce que les conditions de pression et de température dépassent le point critique de l’eau (221 bar et 374 ºC).

Dans des conditions supercritiques, l’efficacité de destruction des polluants est très élevée même avec des temps de réaction réduits.

Les deux technologies présentent une grande capacité de destruction des composés réfractaires, l’OASC étant supérieure à l’oxydation humide, mais le coût élevé de son investissement, de son fonctionnement et de son entretien fait qu’elle n’est pas une technologie compétitive.

De plus, une fois tous les polluants organiques oxydés, un processus complémentaire serait nécessaire pour traiter le reste des polluants tels que les métaux, etc.

Dans le tableau suivant, les différentes alternatives de traitement des émulsions de coupe sont comparées entre elles par rapport aux variables les plus pertinentes lors de la sélection du processus de traitement d’un effluent :

Conclusions

Ainsi, le secteur métallurgique comprend un grand groupe d’activités économiques qui ont en commun, entre autres caractéristiques, que dans toutes elles, des émulsions de coupe sont utilisées pour faciliter le travail lorsqu’il y a un contact direct entre la pièce usinée et l’outil utilisé.

Les émulsions de coupe, qui sont une émulsion d’eau et d’huile avec une longue liste d’additifs, perdent leurs caractéristiques au fur et à mesure qu’elles sont utilisées et doivent être régulièrement remplacées.

À la suite de leur utilisation, des déversements et des traînées se produisent et finissent par atteindre les eaux usées et de nettoyage.

Pour le traitement de ces effluents liquides, qui en plus des émulsions de coupe contiennent également d’autres polluants tels que des solides en suspension, divers métaux, une conductivité élevée, des phosphates, des tensioactifs, etc., tous les processus ne sont pas viables.

Parmi les plus compétitifs se trouvent le traitement par membranes d’ultrafiltration et l’évaporation sous vide, bien que ce dernier soit le seul processus capable de traiter l’effluent en générant une quantité minimale de déchets à gérer.