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Procédés de traitement et de valorisation des eaux.

A. Objectif

- Connaître les grandes catégories de procédés de traitement des eaux

- Savoir reconnaître et choisir un procédé de traitement en fonction d'une application particulière

B. Descriptif de l'unité

Voir le développé du cours ci-dessous

C. Nombre d'heures/crédits

7h

D. Pré requis/liens avec d'autres cours

...

I- Procédés de traitement chimiques

Vue générale
Vue générale
Vue générale

a. Précipitation

ExemplePilote de précipitation & décantation

Pilote de décantation

ExempleRégulation

régulation 1 régulation 2

ExempleVue d'ensemble : Floculation - décantation - filtration

Flocultation filtration

b. Coagulation/floculation

ExempleCuve de floculation

Cuve de floculation Cuve de floculation Cuve de floculation Cuve de floculation

c. Oxydo-réduction

Electrolyse

Définition

Principe : Utiliser le courant électrique pour éliminer des éléments polluants d'un bain et/ou récupérer des métaux valorisables contenus dans des bains par réactions d'oxydo-réduction. La figure ci-dessous schématise les réactions mises en jeu.

Electrolyse

Exemple

Electrolyse 1 Electrolyse 2 Electrolyse 3

Bains électrolytiques

bain électrolytique 1 bain électrolytique 2

ComplémentBut de l 'électrolyse

Récupération de métaux

Argent, Cadmium, Cobalt, Cuivre, Étain, Nickel, Or, Palladium, Plomb, Rhodium, Zinc.

  • Réduire les fréquences de vidanges des rinçages morts,

  • maintenir une teneur constante en métaux dans le bain, donc une meilleure qualité de rinçage,

  • Soulager la station de détox, réduire le volume de boues,

  • Valoriser certains métaux

Oxydation de certains composés organiques : les cyanures

  • Éviter une décyanuration

  • décyanurer sans apport de produits chimiques

Déchromatation

Remarque

Le chrome Vi a la particularité de n'exister que sous la forme d'oxoanion (Cr2O72- ou CrO42-). De ce fait, il ne peut pas être insolubilisé par les ions hydroxyles. Une opération préalable de réduction du chrome hexavalent (VI) en chrome trivalent (Cr III) moins toxique et insolubilisable est nécessaire.

Méthode

Le réactif le plus utilisé est le bisulfite de sodium.

Les réactions sont :

H2Cr2O7 + 3NaHSO3 + 3H2SO4 → Cr2(SO4)3 + 3NaHSO4 + 4H2O

ou

4H2CrO4 + 6NaHSO3 + 3H2SO4 → 2Cr2(SO4)3 + 3NaSO4 + 10H2O

La réaction a lieu en milieu acide : pH < ou = à 2,5 remarque : la vitesse de réaction diminue rapidement si le pH s'élève, le seuil critique se situe à partir de pH 3,5

La réaction doit être contrôlée par le potentiel rédox (réaction d'oxydo-réduction) et le pH pour l'acidité du milieu

Décyanuration
Définition

La décyanuration consiste en l'oxydation des cyanures (CN-) très toxiques en cyanates (CNO-) qui le sont beaucoup moins

Méthode

Le réactif le plus utilisé est l'hypochlorite de sodium (NaClO)

(1) CN- + ClO- + H2O → ClCN + 2OH-

(2) ClCN + 2OH- → Cl- + CNO- + H2O

=> NaCN + NaClO → NaCNO + NaCl

La réaction en milieu basique : pH > 11,5 (évite le dégagement de chlorure de cyanogène très toxique)

Si excès de réactif, la réaction suivante est obtenue

(3) 2NaCNO + 3Cl2 + 6NaOH → 2NaHCO3 + N2 + 6NaCl + 2H2O

La réaction doit être contrôlée par le potentiel rédox (réaction d'oxydo-réduction) et le pH pour l'acidité du milieu

Exemple

Décyanuration

Traitement des nitrites
MéthodeOxydation

Transformation des nitrites (NO2-) en nitrates (NO3-) par l'hypochlorite de sodium

NaNO2 + NaOCl → NaNO3 + NaCl

Réaction à pH 6 avec contrôle de la réaction par mesure du potentiel d'oxydoréduction

MéthodeRéduction

Traitement par le bisulfite de sodium

2NaNO2 + 3NaHSO3 + 2H2SO4 → N2 + 5NaHSO4 + H2O

Réaction à pH 2 avec contrôle de la réaction par mesure du potentiel d'oxydoréduction

II- Procédés de traitement physiques

a. La flottation

Définition

Par opposition à la décantation, la flottation naturelle ou provoquée crée une vitesse ascensionnelle qui assure une élimination des flocs à la partie supérieure des appareils.

Complément

La flottation est dite provoquée lorsque la masse volumique de la particule supérieure à celle du liquide est artificiellement réduite.

Certaines particules solides peuvent s'assembler à des bulles d 'air (ou généralement du gaz) pour donner des groupements d 'une densité inférieure à celle du liquide.

MéthodeFormation des micro-bulles

Mélange de l'effluent à traiter et mélange air/eau sous la pression de 5 bars. En réalisant une détente contrôlée, l'eau passe en sursaturation et l'air se dégage sous forme de fines bulles.

flottation

RemarqueLa fixation des bulles sur les particules dépend
  • de la taille des bulles

  • de l 'état de surface des particules

  • de la tension de surface entre les 3 phases sol/liq/gaz

RemarqueLa flottation peut être
  • naturelle

  • assistée

  • provoquée

Exemple

Atochem, dans un établissement de 300 personnes, procède entre autre à l'extraction liquide-liquide et à la distillation d'huiles végétales.

Ces huiles sont transformées par réaction chimique en acide gras et ensuite en polymères qui entrent dans la fabrication de nombreux plastiques.

L'extraction génère un mélange à 30-60°C en émulsion contenant 99 % d'eau, environ 1 g/l d'huile, 100 ppm de solvant (toluène, xylène) et 100 ppm de MES.

flottation_ex
flottation_ex[Zoom...]

b. Le dégazage

Définition

Elimination des gaz dissous dans les eaux usées industrielles qui jouent un rôle non négligeable dans les phénomènes de corrosion, d'entartrage et de pollution : O2, CO2, H2S, SO2, etc.

ComplémentDeux types de dégazage
  • Dégazage physique

Elimination d 'un gaz contenu dans un effluent par : dépression chauffage

  • Stripping

Dégazage de l'eau qui consiste en un entraînement du gaz ou du produit volatil par un courant d'air ou de vapeur circulant à contre-courant

Exemple

degazage_ex

MéthodeUtilisation du procédé
  • élimination de l 'ammoniac

  • élimination des produits sulfurés ou sulfureux

  • élimination des phénols

  • désodorisation des eaux

  • désoxygénation

MéthodeGaz utilisés
  • air

  • la vapeur d'eau

  • le gaz carbonique

  • les gaz de fumées

  • le gaz naturel

c. L'adsorption

Définition

Elle définit la propriété de certains matériaux de fixer à leur surface des molécules (gaz, ions métalliques, molécules organiques, etc.) d'une manière plus ou moins réversible.

ComplémentPrincipaux adsorbants

Charbon actif : le plus utilisé

affinage des eaux potables

traitement des eaux industrielles

adsorbe la plupart des molécules organiques

Adsorbants minéraux : alumines et oxydes métalliques

plus sélectifs que les charbons actifs

élimination du fluor, des phosphates, des nitrates, etc.

Adsorbants organiques : résines macromoléculaires

(capacité très médiocre par rapport au charbon actif)

d. Les résines échangeuses d'ions

Définition

On appelle échange ionique la permutation entre deux ions de même signe, l'un se trouvant en solution dans l'eau, l'autre étant fixé sur une matrice solide non soluble, mise en contact intime avec l'eau à traiter.

résine
résine
ComplémentÉchangeurs cationiques
résine échangeurs
résine échangeurs[Zoom...]
ComplémentÉchangeurs anioniques
résine échangeurs 2
résine échangeurs 2[Zoom...]
MéthodeConstitution d'une résine échangeuse d'ions

résine échangeurs 3

ExempleExemples d'application
résine échangeurs ex1
résine échangeurs ex1
résine échangeurs ex2
résine échangeurs ex2
ExemplePilote d'échange d'ions

Pilote échange d'ions

e. La filtration sur membranes

FondamentalFiltration : (membranes semi-perméables)

La solution est concentrée par passage sélectif de l 'eau alors que les autres composants du fluide sont plus ou moins arrêtés en surface du milieu poreux suivant leur taille.

Méthode

Les procédés de filtration par membranes utilisent les propriétés de semi-perméabilité de certaines membranes (perméables à l'eau et à certains solutés, mais imperméables à d'autres, ainsi qu'à toute particule)

Ils permettent la séparation de solutés sous l'effet de la pression

filtration
filtration[Zoom...]
filtration table
filtration table[Zoom...]
DéfinitionMembrane

Paroi mince (0,05 à 2 mm) qui a la propriété d'opposer une résistance sélective au transfert des différents constituants d'un fluide et donc de permettre la séparation des éléments composant ce fluide.

ComplémentTypes de membranes
  • Les membranes organiques planes

  • Les membranes organiques spiralées

  • Les membranes organiques fibres creuses

  • Les membranes organiques tubulaires

  • Les membranes minérales tubulaires

f. L'évaporation

Définition

L'évaporation est le passage d'un fluide de l'état liquide à l'état gazeux sous l'effet de la chaleur ou d'une dépression. La vapeur produite, produit un évaporat lors de son refroidissement.

ExempleL'évaporateur rotatif
évaporation
évaporation[Zoom...]

Chauffage par bain marie

Condensation des vapeurs par échangeur

Récupération de l'évaporat fractionnée ou non

Mise sous vide de l'appareillage (trompe à eau)

Possibilité d'alimenter en ‘continu'

Complément
évaporation
évaporation[Zoom...]
MéthodeEvaporation à compression mécanique de vapeur (CMV)
evaporateur
evaporateur[Zoom...]

1 : entrée de l'effluent

2 : récupérateur

3 : cuve d'évaporation

4 : échangeur

5 : séparateur

6 : pompe à vide/compresseur

7 : chauffage de démarrage

8 : lavage

9 : sortie évaporat

10 : sortie concentrat

Avantage : pas d'énergie mise en jeu (sauf une alimentation électrique pour le compresseur)

RemarqueRéduction du volume de l'effluent d'un facteur supérieur à 10

Réduction du volume de l'effluent d'un facteur supérieur à 10

III- Procédés de traitement mécaniques

a. Le dégrillage

degrillage
degrillage

Le dégrillage, premier poste de traitement, indispensable aussi bien en eau de surface qu'en eau résiduaire, permet:

  • protection des ouvrages,

  • séparation et

  • évacuation des matières volumineuses.

Grille fixe ou mobile

  • simple verticale

  • courbe à râteau

  • courbe à grappin

ComplémentOn distingue trois types de dégrillage suivant l'espacement des barreaux

Dégrillage

RemarqueDomaines d'application
  • Industries alimentaires :

    • Matières grossières fibreuses végétales déchets d'épluchage, de tranchage,...

    • Eaux de lavage ou de transport de légumes, de racines, de fruits. Industrie textile, les résidus fibreux peuvent être collectés par des cribles de plusieurs cm.

  • Canaux d'amenée des eaux usées vers une fosse de décantation, de stockage ou de traitement biologique.

  • Prises d'eau de rivière qui alimentent les stations de préparation d'eau industrielle.

b. Le deshuilage

On rencontre deux types d 'huile
  • huile de surface dite relargante

  • huile en émulsion (fait appel soit à un prétraitement soit à des traitements spécifiques)

ExempleSéparateur A.P.I. (Institut américain du pétrole)
deshuileur 1
deshuileur 1[Zoom...]

Les huiles forment une couche à la surface

Les MES se déposent au fond

La teneur en huile des eaux issues d'un séparateur est en moyenne de 20 ppm

ExempleSéparateur P.P.I. (Plaques parallèles)
deshuileur 2
deshuileur 2[Zoom...]

c. La décantation

ExemplePilote de précipitation & décantation

Pilote de décantation

ExempleDécantation lamellaire

Décantation 1 Décantation 2 Décantation 3

d. La filtration

ExempleFiltre-presse

Filtre presse

e. La centrifugation

Définition

Procédé de séparation qui utilise l'action d'une force centrifuge pour provoquer la décantation accélérée des particules d'un mélange solide/liquide ou liquide/liquide.

ComplémentApplications
  • Clarification

    Séparation solide/liquide dans le domaine du traitement de surface et la déshydratation des boues

  • Purification, concentration, séparation

    Séparation liquide/liquide dans le déshuilage de bains

ExempleSéparation liquide - liquide (huile - eau)
centrifugeuse 1
centrifugeuse 1
ExempleSéparation des 3 phases : solide (boue) - eau - huile
Centrifugeuse 2
Centrifugeuse 2
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