Les techniques de traitement des eaux usées industrielles sont multiples et coûteuses, d’où le choix d'un procédé simple, fiable et à moindre coût. La filtration des eaux usées sur supports naturels constitue un modèle très intéressant par la simplicité de sa mise en œuvre et par son faible coût d’exploitation ainsi que par ses performances en termes de rendement d’épuration.
Dans ce contexte nous avons développé un système de filtration par étages, composé de sol agricole, de sable marin et d’une matrice argileuse. Les quantités et la granulométrie de chacun des matériaux ont été optimisées. Différents paramètres physico-chimiques ont été étudiés lors de cette étude, à savoir le pH, la conductivité, la matière en suspension (MES), la demande chimique en oxygène (DCO), les ions orthophosphates (PO4 3-), les ions ammonium (NH4 +) et les ions chlorures (Cl-).
Matériel et méthodes
Le dispositif expérimental que nous avons utilisé dans ce travail (figure 1) est composé d'une colonne en verre de 5 cm de diamètre et de 50 cm de longueur. Les eaux usées traitées proviennent de la zone industrielle de la ville d’El Jadida. Le sol agricole et le sable marin que nous avons utilisés ont été prélevés le long du littoral de cette ville. La matrice argileuse est un matériau enrichi par du kaolin, qui est un minéral appartenant au groupe des aluminosilicates, dérivant de la kaolinite de for-
Mots clés : Eaux usées industrielles, filtration, sable marin, sol agricole, matrice argileuse
[Photo : Figure 1 : Montage expérimental utilisé pour le traitement des eaux usées industrielles.]
Formule chimique : Si₄Al₂O₁₀(OH)₂. Les matériaux utilisés ont été tamisés afin de déterminer leurs différentes tailles granulométriques. Leur caractérisation a été réalisée par diffraction des rayons X (DRX) et par spectroscopie ICP (Inductance couplage plasma).
Le pH et la conductivité ont été déterminés par un pH-mètre de type WTW pH 521 et EUTECH CON 510. Les ions orthophosphates et les ions ammonium sont analysés en présence du réactif Nessler et du molybdate d’ammonium, par des méthodes colorimétriques à l'aide d’un spectrophotomètre UV-Visible de type JENWAY 6061 Colorimètre. Les ions chlorures ont été dosés par la méthode de Mohr. Au cours de ce titrage, les ions chlorure réagissent avec les ions argent (provenant de AgNO₃) pour former un précipité blanc de chlorure d'argent. L'indicateur de fin de réaction est le chromate de potassium K₂CrO₄ qui donne avec l'excès d'ions argent, en milieu neutre, un précipité rouge brique de chromate d'argent.
La demande chimique en oxygène est analysée par oxydation totale des matières organiques (biodégradables et non biodégradables) par un oxydant fort (K₂Cr₂O₇) en excès en présence d'un catalyseur (Ag₂SO₄) en chauffant à reflux en milieu acide concentré (H₂SO₄) pendant 2 heures.
Les matières en suspension sont déterminées par filtration d'un volume d’eau usée sur papier filtre cellulosique de 0,45 µm de taille. La différence de poids avant et après deux heures à l'étuve, à 105 °C, traduit la quantité des matières en suspension.
Tous ces paramètres physico-chimiques étudiés ont été analysés selon les normes AFNOR.
Résultats et discussions
Les paramètres physico-chimiques analysés ainsi que les résultats obtenus avant et après traitement des eaux usées industrielles étudiées sont rassemblés dans le tableau 1.
Les histogrammes ci-dessous indiquent les variations des différents paramètres physico-chimiques analysés, avant et après filtration sur une colonne remplie de trois supports différents ayant la même taille granulométrique : sol agricole, sable marin, et une matrice argileuse.
Tableau 1 : Les principaux paramètres physico-chimiques des eaux usées étudiées avant et après traitement
Colonne 1 : Sol agricole et sable marin Colonne 2 : Matrice argileuse (Kaolin) Colonne 3 : Sol agricole, sable marin et matrice argileuse
Le pH
Les valeurs moyennes de pH des rejets liquides de la zone industrielle de la ville d'El Jadida varient entre 5,40 et 6,5. Ces rejets à caractère acide sont déversés dans les milieux naturels sans aucun traitement.
[Photo : Figure 2 : Variation du pH avant et après traitement sur les différentes colonnes.]
[Photo : Figure 3 : Variation de la conductivité avant et après traitement.]
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[Photo : Variation de la MES avant et après traitement]
[Photo : Variation de la DCO avant et après traitement]
entraîner des modifications importantes du pH et des déséquilibres chimiques entre les molécules et les ions, ce qui peut causer des toxicités pour différentes espèces peuplant les milieux récepteurs (1). La filtration de ces rejets à caractère acide sur les différentes colonnes utilisées conduit à la neutralisation de ces effluents. Cette neutralisation est due au caractère basique des trois matrices filtrantes.
La conductivité
La conductivité électrique d'une solution traduit le degré de minéralisation globale, elle nous renseigne sur le taux de salinité (2). Les effluents industriels étudiés présentent une forte conductivité électrique d'une valeur de 10,60 mS·cm⁻¹. La forte conductivité est due aux sels dissous dans ces rejets. Le passage de ces eaux usées à travers les supports filtrants a permis la réduction de la conductivité.
Les matières en suspension (MES)
Les matières en suspension sont des particules fines, colloïdales, insolubles, qui existent naturellement dans l'eau, elles sont de nature organique ou minérale, biodégradables ou non (3,4). Ces particules augmentent la turbidité des eaux, empêchent la pénétration de la lumière et réduisent ainsi le phénomène de la photosynthèse causant ainsi un appauvrissement en oxygène dissous au niveau des milieux récepteurs. Les eaux usées industrielles étudiées sont chargées en matières en suspension, et les valeurs retrouvées (339 mg/L) dépassent largement les normes marocaines 50 mg/L (5). Le passage de ces eaux usées à travers le filtre étudié a permis une élimination quasi totale de ces matières en suspension.
La demande chimique en oxygène (DCO)
La pollution organique regroupe des matières organiques biodégradables qui se décomposent dans les milieux naturels tels que les résidus de différentes activités humaines, agricoles…) et des matières non biodégradables (hydrocarbures, pesticides, solvants,...) organiques qui peuvent générer divers problèmes (odeurs, consommation d'oxygène) (6). La majeure partie de la matière organique soluble et particulaire contenue dans les eaux usées industrielles a été retenue par les différents filtres utilisés. Une réduction importante de la DCO est observée au niveau de la colonne 3, avec un taux d’abattement allant jusqu’à 80 %.
Les ions chlorures
Les chlorures sont dosés en milieu neutre par une solution titrée de nitrate d'argent en présence de chromate de potassium (méthode de Mohr). La fin de la réaction est indiquée par l'apparition de la teinte rouge caractéristique du chromate d'argent (6). Les rejets industriels étudiés sont également trop chargés en chlorures avec des valeurs dépassant les 1500 mg/L. Leur élimination est meilleure au niveau de la colonne 3. L’élimination des anions chlorures peut être expliquée par la présence des cations contenus dans les différentes matrices filtrantes utilisées.
Les ions ammonium
La présence des ions ammonium dans l'eau traduit habituellement un processus de dégradation incomplet de la matière organique. Ils peuvent provoquer des problèmes de corrosion des conduites et avoir un impact sur la faune et la flore du milieu récepteur (7-9). Les eaux usées étudiées présentent une forte concentration en ions ammonium allant jusqu’à 100 mg/L. Pour les trois types de colonnes utilisées, l’élimination des ions ammonium est également importante et atteint les 86 %.
Les ions orthophosphates
La majeure partie du phosphore organique provient du métabolisme des protéines et de son élimination et des eaux de rinçage après utilisation d'un détergent (10). L’excès de phosphore qui se retrouve dans les milieux aquatiques participe au phénomène d’eutrophisation des cours d'eau, c'est-à-dire de la croissance excessive des algues et des plantes aquatiques.
[Photo : Variation des ions chlorures avant et après traitement]
[Photo : Variation des ions ammonium avant et après traitement]
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[Photo : Variation des orthophosphates avant et après traitement]
Pour les trois types de colonnes, on note un pourcentage d’élimination du phosphore ne dépassant pas les 36 %.
Le tableau 2 résume les pourcentages d’élimination obtenus pour certains des paramètres physico-chimiques étudiés, en utilisant les trois types de colonnes. Nous remarquons que le meilleur traitement des eaux usées industrielles étudiées est obtenu en utilisant une colonne constituée des trois supports : sol agricole, sable marin et matrice argileuse.
Tableau 2 : Le pourcentage d’abattement des paramètres physico-chimiques analysés après traitement sur différentes colonnes
| Élément |
pH |
CE |
MES |
DCO |
Cl⁻ |
NH₄⁺ |
PO₄³⁻ |
| Colonne 1 |
58,63 |
72,83 |
93,22 |
78,33 |
65,97 |
80,87 |
28,47 |
| Colonne 2 |
43,71 |
74,72 |
86,73 |
60,00 |
59,37 |
80,94 |
28,96 |
| Colonne 3 |
58,27 |
82,17 |
93,81 |
79,06 |
70,80 |
86,04 |
35,04 |
Les eaux usées industrielles étudiées présentent de fortes charges en phosphores dont les valeurs dépassent la norme marocaine du rejet dans le milieu récepteur en orthophosphates qui est de 10 mg/L (5).
Références bibliographiques
(2) El Gouamri Y. et Belghyti D., Étude de la qualité physicochimique des eaux usées brutes rejetées dans le lac Fouarat, Journal Africain des Sciences de l’Environnement, 4 (2006) 53-60.
(3) Santé Canada, Recommandations pour la qualité de l’eau potable au Canada : la turbidité. Documentation & l’appui. Préparé par le Comité fédéral provincial territorial sur l’eau potable, Ottawa, Ontario, (2003) 36 p.
(4) Bremond R. et Vuichard R. (1973) Paramètres de la qualité des eaux, Ministère de la protection de la nature et de l’environnement, SPEPE, Paris, 179 p.
(4) Schnitzer M., Kahn S.H., Humic substances in the environment, Marcel Dekker, New York, N.Y, (1972) p. 204.
(5) Comité normes et standards. Ministère de l’Environnement du Maroc. Rabat (1994).
(6) Rodier J., L’analyse de l’eau naturelle, eaux résiduaires, eau de mer, 8ᵉ éd., Dunod, Paris, 1 (1996) 1383.
(7) Erickson E., Affarth K., Henze M., Ledin A., Characteristics of grey wastewater, Urban Water, 4 (2002) 85-104.
(8) Udert K.M., Larsen T.A., Biebow M. and Gujer W., Urea hydrolysis and precipitation dynamics in a urine-collecting system. Water Res., 37 (2003) 2571-2582.
(9) Bonte S.L., Pons M., Potier O. et Rocklin P., « Relation Between Conductivity and Ion Content in Urban Wastewater » Journal of Water Science, vol. 21, n° 4 (2008) 429-438.
(10) du Chaufour P., Abrégé de pédologie : sol, végétation et environnement. 5ᵉ édition, Masson, 1997.
Conclusion
Cette étude, menée au laboratoire, a porté sur la dépollution des eaux usées industrielles de la ville d’El Jadida par filtration par étage composé d’une couche de sol agricole, de sable marin et d’une matrice argileuse. Les résultats obtenus nous ont permis de déduire, dans des conditions précises, que les supports étudiés présentent un pouvoir efficace pour réduire la charge polluante organique et minérale présente dans les eaux usées étudiées.
Les principaux paramètres analysés dans cette étude sont la matière en suspension (MES), la demande chimique en oxygène (DCO), les ions orthophosphates (PO₄³⁻), les ions ammonium (NH₄⁺) et les ions chlorures (Cl⁻). Les résultats obtenus par ce système de traitement sont évalués à une réduction allant de 28 à 94 % pour les éléments analysés.
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