Aujourd'hui, la technologie de séparation par adsorption constitue l'une des technologies de séparation la plus importante. Ces dernières années, plusieurs travaux se sont orientés vers la recherche de nouveaux matériaux, moins chers et possédants un bon potentiel adsorbant. Cette technique a montré de forts potentiels en dépollution des eaux usées, surtout en matière d'effluents industriels. C?est dans ce contexte que s'inscrit notre travail. Nous avons adopté la technique de séparation par adsorption via un système de filtration percolation sur une série de matrices filtrantes composées par des matériaux poreux naturels comme le sable, combinés avec des déchets solides à savoir les cendres volantes et les mâchefers, et ce dans le but d'étudier l'efficacité de purification par ce système de filtration des eaux usées de la zone industrielle Mghogha de Tanger. Les principaux paramètres analysés dans cette étude sont la matière organique comme la DCO, la DBO5, le pH, la conductivité électrique, les ortho phosphates (PO43-) et les chlorures (Cl-). Les résultats obtenus par ce système de traitement sont évalués à une réduction de 95,21?% pour la DCO, 96,69?% pour la DBO5, 79,26?% pour PO43-, 40,92?% pour la conductivité et 70,70?% pour les chlorures Cl-.
La majeure partie du territoire dans notre pays, le Maroc, est caractérisée par un climat semi-aride. Ce qui rend les ressources en eau trop limitées. La consommation d'eau a atteint le niveau à partir duquel on parle généralement de stress hydrique (1000 m³/pers/an). En 2020, il est estimé que 35 % de la population sera en dessous du niveau des conditions de stress sévère fixé à 500 m³/pers/an ; s’ajoute à cela, la consommation d’eau qui augmente au fur et à mesure du développe-
ment industriel. En effet, le Maroc a entrepris récemment de mener une politique de gestion active en matière de développement durable et de protection de l’environnement. Par conséquent, la réutilisation industrielle des eaux usées et le recyclage doivent désormais devenir une réalité technique et économique. L’une des problématiques générées par les activités industrielles sont les déchets solides qui constituent une menace sérieuse sur l’environnement. Dans ce cadre, notre étude porte sur le traitement des effluents de la zone industrielle Mghogha de la ville de Tanger, par le procédé de filtration percolation à travers une série de matrices filtrantes formées par la combinaison des déchets solides comme les cendres volantes, les machefers et du sable. Ce dernier a fait ses preuves en tant que matériau adsorbant dans le traitement des eaux usées par le procédé de filtration percolation dans le cadre de plusieurs études faites auparavant [1,2,3]. L’infiltration percolation est une technique capable d’oxyder complètement les eaux usées. C’est un procédé de traitement qui permet d’éliminer la pollution organique et des ions majeurs [4]. Il a été de plus en plus utilisé pour le traitement des effluents primaires ou secondaires en raison de sa faible consommation d’énergie et de ses exigences en termes d’entretien [5]. Il consiste en l’application séquentielle des eaux usées sur les filtres à sable.
Matériels et méthodes
Le système de traitement adopté est l’infiltration percolation à travers les matrices filtrantes suivantes : le sable, les machefers et les cendres volantes. L’alimentation du système se fait exclusivement par des eaux
usées industrielles, l’écoulement se fait en percolation à travers la matrice filtrante. Le principe du système utilisé est schématisé sur la figure 1.
Zone industrielle en étude
Nos échantillons d’eaux usées ont été prélevés de la zone industrielle Moghogha qui se situe à environ 8 km de la ville de Tanger sur la route de Tétouan comme indiqué sur la figure 2. Sa superficie totale est de 138 ha. L’ensemble des sociétés en activité consomme en eau potable environ 4000 m³/jour. La répartition par secteur d’activités des sociétés dans ce site est la suivante :
• Industrie de textile 45 %; • Industrie chimique 14 %; • Industrie agroalimentaire 10 %.
Échantillonnage des matériaux filtrants
Les cendres volantes
Les cendres volantes sont des fines particules recueillies lors du dépoussiérage des gaz résultant de la combustion du charbon pulvérisé de la centrale thermique Jorf Lasfar « JLEC » située à 17 km au sud de la ville d’El Jadida sur la route qui mène à
El Oualidia. Leur composition est en relation avec les différents types de matières incombustibles présentes dans le charbon. D’une manière générale, les éléments présents sont : le silicium, l’aluminium, le fer, le calcium et le magnésium [6].
Les machefers à charbon
Les machefers utilisés dans nos expériences comme adsorbant sont issus de la centrale thermique de Jorf Lasfar « JLEC ». Ils se présentent sous forme de grains sombres poreux de couleur grise. Leur couleur et leur forme dépendent de l’origine du charbon et des conditions de combustion.
Les sables
Les échantillons des sables que nous avons utilisés dans nos expériences ont été prélevés le long du littoral de la ville d’El Jadida comme le montre la carte satellite ci-dessous. Ces derniers ont été soigneusement lavés et séchés à 40 °C dans une étuve, ensuite tamisés afin de déterminer ses différentes tailles granulométriques.
Le tableau 1 résume les noms des sites des prélèvements de nos échantillons de sables.
- Plage de ville
- Plage à côté hôtel Ibis
- Plage Sidi Bouzid droite
- Plage Sidi Bouzid gauche
- Plage Oualidia
Les pollutions qui font l'objet de la présente étude sont :
- • pH ;
- • la conductivité ;
- • DCO ;
- • DBO₅ ;
- • les chlorures ;
- • les ions orthophosphates.
Tous les paramètres ont été déterminés selon les méthodes standards d'analyse des eaux usées selon la norme AFNOR [7].
Résultats et discussions
Tableau 1 : Sites des prélèvements des sables marins
| Sable 1 – Plage de Sidi Bouzid à proximité du complexe ONE : 33°13'13.2"N 8°33'36.8"W |
| Sable 2 – Plage de Sidi Bouzid (8 km d’El Jadida sur la route côtière vers Safi) : 33°13'42.0"N 8°33'16.1"W |
| Sable 3 – Plage Oualidia à 80 km d'El Jadida : 32°44'14.9"N 9°02'34.3"W |
| Sable 4 – Plage d’El Jadida à côté de l'hôtel Ibis : 33°14'47.8"N 8°29'42.7"W |
| Sable 5 – Plage d’El Jadida : 33°14'40.1"N 8°28'59.5"W |
Échantillonnage des eaux usées industrielles
Les échantillons des eaux usées industrielles ont été prélevés d'un collecteur qui draine ces eaux vers la mer sans traitement préalable. Les échantillons sont recueillis dans des bouteilles en verre, sous les conditions de conservation.
Analyse granulométrique des sables
Afin d’établir les tailles granulométriques de nos échantillons de sables, nous avons effectué le tamisage sur une colonne de 13 tamis (norme AFNOR) ; les courbes granulométriques obtenues sont illustrées dans les figures 6, 7, 8, 9 et 10.
À partir du tableau 2 granulométrique ci-dessous, nous constatons que la taille prépondérante dans les cinq sables est inférieure à 500 µm, ce qui leur attribue la classe des sables fins. La faible granulométrie des sables facilitera la fixation de la matière organique.
Tableau 2 : La taille prépondérante des cinq sables
| Sable 1 : 0,4 mm |
| Sable 2 : 0,4 mm |
| Sable 3 : 0,2 mm |
| Sable 4 : 0,315 mm |
| Sable 5 : 0,2 mm |
La surface du matériau adsorbant est généralement plus importante lorsque la granulométrie du matériau est faible [8].
Afin d’avoir plus de précision sur la matrice à base de sables que nous allons utiliser, une étude de la vitesse d’écoulement a été réalisée, et la figure 11 montre la variation de cette dernière qui dépend principalement de la taille granulométrique donc de la porosité. Le sable 5 présente une grande vitesse d’écoulement, de l’ordre de 9 cm/s.
Structure des cendres volantes
Les résultats des analyses par la technique de la spectroscopie d’absorption atomique à flamme ICP, reportés dans le tableau 3, montrent que les cendres volantes sont constituées principalement de SiO2 et Al2O3, ce qui leur attribue la classe des cendres silico-alumineuses.
Tableau 3 : Composition chimique des cendres volantes
| Élément chimique | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | SO3 | K2O | Σ SiO2, Al2O3, Fe2O3 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| (%) | 57 | 34 | 3,4 | 10 | 0,02 | 0,5 | 1,2 | 94,4 |
Structure des mâchefers
La technique de la fluorescence X nous a permis d’obtenir la composition chimique des mâchefers. On remarque d’après le tableau 4 que les constituants majeurs de notre adsorbant sont SiO2, Al2O3 et Fe2O3.
Tableau 4 : Composition chimique des mâchefers
| Élément chimique | CaO | SiO2 | Fe2O3 | Al2O3 | K2O | NaO | ZnO | P2O5 | SO3 | MgO | PAF | CaO libre |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| (%) | 1,92 | 52,07 | 8,86 | 23,34 | 1,9 | 0,4 | 0,01 | 0,01 | 1,87 | 1,09 | 6,48 | 0,29 |
Composition des eaux usées brutes
L’étude de la caractérisation physico-chimique des rejets liquides nous a donné les résultats illustrés dans le tableau 5 ci-dessous.
Les eaux usées industrielles sont caractérisées par une charge organique élevée, de l’ordre de 5202 mg/l en DCO et 4224 mg/l en DBO5. Cette pollution provient de l’activité agroalimentaire.
La conductivité électrique est liée aux concentrations des substances dissoutes et à leur nature. Les effluents étudiés présentent une conductivité élevée, de l’ordre de 19,92 mS/cm, due aux sels rejetés (Cl) par l’industrie textile. Ces concentrations élevées de sels minéraux sont dues aux différents traitements réalisés lors du procédé de production (utilisation de l’eau de javel, bisulfite de sodium, enzymes, colles...) [9].
Le pH est un élément important pour définir le caractère agressif ou incrustant d’une eau. Nos échantillons ont un pH de 6,48, valeur proche de la neutralité. Cela peut s’expliquer par la diversité des activités industrielles, principalement l’industrie textile, l’agroalimentaire et l’industrie chimique.
La concentration des orthophosphates dans les effluents étudiés est très élevée, de l’ordre de 95,24 mg/l. Cette valeur provient des produits de lavage industriels.
Tableau 5 : Caractérisation physico-chimique des eaux usées industrielles brutes
| Paramètre | pH | Conductivité (mS/cm) | DCO (mg O2/l) | DBO5 (mg O2/l) | Chlorures (mg/l) | Orthophosphates (mg/l) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Eaux usées | 6,48 | 19,92 | 5202 | 4224 | 1301,586 | 95,24 |
Résultats après filtration percolation
Après plusieurs expériences de filtrations percolations dans notre laboratoire, nous avons constaté que la décoloration des eaux épurées diminue progressivement vers le transparent comme le montre [...]
Le filtre 5 constitué par la matrice sable 5 + mâchefer + cendre donne le meilleur résultat.
En parallèle, on effectue le suivi des paramètres physico-chimiques indicateurs de pollution, à savoir la DBO5, la DCO, le pH, la conductivité, les chlorures et PO4³- après infiltration sur les colonnes.
L’évolution de la DCO
Selon les résultats illustrés dans la figure 13, nous constatons que les substrats filtrants 1, 2, 3, 4, 5 contribuent à une réduction très satisfaisante qui respecte la norme marocaine (500 mg/l). Les cinq filtres ont donné des abattements respectifs de 95,58 %, 95,39 %, 95,79 %, 93,39 % et 95,94 %. Cette réduction quasi totale est expliquée par les propriétés d’adsorption qui caractérisent les cendres volantes et les mâchefers.
L’évolution de la DBO5
Concernant la demande biologique en oxygène et d’après la figure 14, on note une diminution des teneurs avec un taux d’abattement respectivement de 97,82 %, 95,05 %, 97,89 %, 94,55 % et 98,11 %. Une première constatation montre que le filtre 5 donne une réduction maximale de 77 mg/l, valeur inférieure à 100 mg/l considérée comme valeur limite de rejet. Cette réduction de la charge organique est expliquée par les propriétés d’adsorption qui caractérisent les matériaux filtrants utilisés.
L’évolution des ions orthophosphates
Les résultats obtenus (voir figure 15) nous ont permis de conclure que la rétention du paramètre en question au niveau du système est très importante, vu l’abattement maximal de 81 % que nous avons obtenu avec le filtre 5. Cette efficacité est due à la richesse en oxydes ferriques, oxydes d’aluminium et de chaux contenues dans les cendres volantes (CaO + Σ% Al2O3 + Fe2O3 = 47,4 %) qui sont responsables de l’adsorption ou de la précipitation des orthophosphates.
L’évolution du pH
D’après la figure 16, nous observons que le pH des cinq filtrats est devenu neutre (entre 7,18 et 7,51). Cette augmentation du pH est due aux réactions probables entre les ions H3O+ et les constituants du sable, tels que les carbonates [10].
L’évolution des chlorures
D’après la figure 17, les eaux usées brutes étudiées ont une teneur en chlorures de l’ordre de 1 301,586 mg/l. On constate que l’élimination des chlorures est meilleure après la filtration. Les cinq filtres nous ont permis d’atteindre un abattement respectif de 73,34 %, 65,49 %, 73,03 %, 68,07 % et 73,57 %. Le filtre 5 présente une réduction optimale.
tion maximale de 344 mg/l, valeur légèrement inférieure à la norme marocaine (350 mg/l).
L'évolution de la conductivité
La figure 18 nous montre que le rendement du système de filtration utilisé est meilleur. On note une réduction maximale de 11,36 mS/cm, valeur inférieure à la norme de 12 mS/cm.
Cette forte réduction de la conductivité électrique peut également être expliquée par la rétention de sels dissous contenus dans l'eau usée (sulfates, calcium, sodium, magnésium, chlorure, …) par les matériaux filtrants utilisés.
Comparaison des performances épuratoires des cinq filtres
D'après la figure 19, on note une similarité du rendement épuratoire des cinq filtres. Toutefois, quand on parle de la performance du système, le temps de séjour s'impose en tant que paramètre essentiel pour juger la performance de ce procédé de filtration percolation. Pour cette raison, on s’est référé à la vitesse de filtration des sables tant la différence entre les cinq filtres repose sur le type de sable et, d'après les paramètres déterminés lors de la caractérisation des sables, le sable 5 présente une vitesse de filtration supérieure aux autres. Le filtre 5 formé par le sable 5, mâchefer et les cendres volantes est donc le plus performant, vu le temps de séjour optimal qu'il présente.
Conclusion
Au terme de cette étude, nous avons pu mettre en évidence le fait que les eaux usées de la zone industrielle Mghogha de Tanger sont caractérisées par une pollution organique très élevée.
La technique de traitement adoptée nous a permis de donner une valeur ajoutée aux déchets industriels solides, à savoir les cendres volantes et les mâchefers. Les matrices filtrantes que nous avons utilisées nous ont donné une efficacité très importante en termes de dépollution vu les abattements élevés trouvés de la charge polluante physicochimique. Les eaux épurées résultant de ce traitement répondent parfaitement à la norme marocaine, ce qui permet de les réutiliser comme une eau de refroidissement en industrie ou dans le secteur agricole comme eau d'irrigation.
Remerciements :
L'équipe de cette étude tient à remercier Dr A. Benabdellah de la faculté des sciences et techniques de Tanger, pour avoir facilité l'acquisition des eaux usées de la zone industrielle Mghogha de Tanger.
Références bibliographiques
[1] S. Ettaleb, M. Ezzahery, R. Aba-aaki, R. Elhaouti, M. Abbaz, S. Lhanafi, N. El alem, Study of the influence of two types of sands of the same origin in the treatment of urban waste water by the process of infiltration percolation (2014).
[2] Latifa Mouhir, Rédouane Choukrallah, Amal Serghini, Mohammed Fikhaoui, Driss Fadli, Performances épuratoires d’un système de traitement par infiltration percolation et dénitrification en milieu semi-aride au Maroc.
[3] M. Najem, A. Laamyem, I.T. Langar, Rétention des métaux lourds des eaux usées industrielles par filtration percolation à travers une couche sol-sable (2009).
[4] Bancolé A., Brissaud F., Gnagne T., Water Sci. Technol., 48 (11) (2003) 139-146.
[5] Stevik T.K., Keller A., Ausland G., Hanssen J.K., Water Res., 38 (2004) 1355-1367.
[6] Valuation of Materials in Waste Water Treatment by Percolation Infiltration: on the Sand, Soil, Clay and Ashes. PhD thesis Mounir Najem, University Chouaib Doukkali (2013).
[7] H. El Fadel, M. Merzouki, M. Faouzi, A. Laamayer, M. Najem, M. Benlemlih, Purification performance of filtration process for leachate in Morocco by marine sands, clays and fly ash (2013).
[8] A. Laamyem, H. Haffad, M. Najem, Caractérisations physiques et chimiques des eaux usées industrielles après filtration à travers la matrice sol-sable en fonction de la taille granulométrique (2011).
[9] H. Hayzoun, A. Quammou, O. Saidi, F. Khalil, L. Bouayyadi, Evaluation de la qualité bactériologique et chimique du Sebou, Maroc (2014).
[10] R. El haouti, R. Aba-aaki, K. Agga, S. Ettaleb, M. Abbaz, M. Ezzahery, S. Lhanafi, N. El alem, Use of black sand as gravel in the process of infiltration percolation for wastewater treatment (2014).
