Version classiqueVersion mobile

L'eau à découvert

 | 
Agathe Euzen
, 
Catherine Jeandel
, 
Rémy Mosseri

Cinquième partie. Qualité de l'eau

16. Une chimie innovante au service du traitement des eaux usées

Claude Descorme

Texte intégral

1L’eau nous est extrêmement utile au quotidien pour des applications tant industrielles, qu’agricoles ou encore domestiques. Il résulte de toutes ces utilisations des eaux dites usées (effluents), de nature très variable selon le type de polluants présents en phase* liquide ou particulaire (matière en suspension), mais aussi selon leur niveau de concentration et d’autres caractéristiques physicochimiques (pH, salinité…). D’autres paramètres, tels que le volume ou le débit d’effluents à traiter et les variations au cours du temps de la nature et de la concentration des polluants participent également à la diversité des effluents à prendre en charge. Enfin, leur toxicité peut également être un critère discriminant pour le choix de telle ou telle autre voie de traitement.

2En parallèle, il est nécessaire de définir l’objectif final du traitement, en lien avec la réglementation en vigueur. Le traitement peut avoir pour but, soit d’aller vers une minéralisation* complète autorisant un rejet direct dans le milieu naturel, soit de viser une détoxification permettant d’obtenir un nouvel effluent biodégradable pouvant être acheminé vers une station d’épuration conventionnelle pour le traitement final, soit encore d’obtenir une valorisation chimique de la matière organique présente dans l’effluent.

3Une fois cet état des lieux réalisé et le cahier des charges dressé, la palette des procédés de traitement du chimiste est large. Il peut s’agir de procédés d’oxydation* ou de réduction*, chacun ayant son champ d’application, ses avantages et ses limites (cf. II.7).

Les procédés d’oxydation

4Les procédés d’oxydation offrent de très nombreuses possibilités, allant de l’oxydation partielle ou contrôlée jusqu’à la minéralisation totale, et leur diversité réside notamment dans le grand nombre des oxydants utilisables (oxygène, eau oxygénée, ozone…) et dans les conditions mises en œuvre pour l’activation de la réaction (chauffage, lumière, ultrasons*, catalyse*…).

5Au-delà des oxydants utilisés, la nature des espèces oxygénées réactives générées au cours de la réaction est un paramètre discriminant. Ainsi, l’ensemble des procédés faisant intervenir le radical* hydroxyle, qui est l’oxydant le plus fort après le fluor, sont regroupés sous la dénomination de « Procédés d’Oxydation Avancée » (POA). Ils possèdent l’avantage de pouvoir être mis en œuvre dans des conditions proches de l’ambiante (température, pression), mais ils sont cependant limités au traitement des effluents peu concentrés. Ces procédés sont également particulièrement sensibles à la présence d’impuretés, notamment les sels, qui conduisent au piégeage des espèces radicalaires réactives. Parmi les procédés les plus largement développés, la photo-catalyse repose sur l’activation d’un semi-conducteur* (le photocatalyseur) par la lumière, la création de paires électron-trou* et l’induction de réactions d’oxydation et de réduction en cascade conduisant intermédiairement à la production de radicaux oxydants. L’application de la photocatalyse au traitement de l’eau à grande échelle demande encore de surmonter des difficultés majeures dans la mise en œuvre de la réaction. Une voie de développement nouvelle concerne son utilisation pour la désinfection (bactéries, virus, champignons…). Le procédé Fenton associe, quant à lui, le fer ferreux et l’eau oxygénée. S’il est particulièrement adapté à l’élimination des micropolluants, le coût des réactifs ou encore la nécessité de travailler à pH acide pour éviter la précipitation* du fer et la production de boues rouges sont des limitations majeures. Un tel procédé a déjà été commercialisé en Allemagne et aux États-Unis. Des améliorations ont été apportées avec les procédés photo-Fenton et électro-Fenton. L’ozonation* a également fait l’objet de nombreuses études. L’ozone peut réagir directement sur les polluants, s’ils présentent des doubles ou triples liaisons, ou après décomposition et formation de radicaux hydroxyles. Même si les coûts de mise en œuvre sont un point central, ce procédé permet de s’attaquer à la fraction la plus réfractaire de la pollution résiduelle. Enfin, dernier exemple, la sonochimie* utilise les ultrasons et repose sur le phénomène de cavitation acoustique*. La dégradation des polluants procède à la fois par pyrolyse* et par attaque radicalaire, du fait de la très grande quantité d’énergie libérée dans des temps extrêmement courts lors de l’implosion des microbulles. La fréquence ultrasonore est un paramètre-clé et il convient d’opérer à haute fréquence (plusieurs centaines de kHz), afin de promouvoir les effets chimiques et la dégradation des polluants. La mise en œuvre d’un tel procédé à grande échelle est délicate et les propriétés physico-chimiques de l’effluent à traiter (volatilité des polluants, viscosité*…) auront un impact majeur sur l’efficacité de celui-ci. Par ailleurs, de nombreuses combinaisons de ces procédés ont pu être évaluées afin de contourner les limitations de certaines et à la recherche de synergies. Ces procédés peuvent également être mis en œuvre en présence d’un catalyseur afin d’optimiser l’utilisation des réactifs, de promouvoir la genèse des radicaux hydroxyles ou d’orienter sélectivement les réactions de dégradation pour une plus grande efficacité.

Réacteur photocatalytique de laboratoire. © IRCELYON

6Inversement, l’oxydation en voie humide*, utilisant l’oxygène comme oxydant, est un procédé extrêmement robuste permettant le traitement des effluents concentrés les plus complexes (liqueurs noires de l’industrie papetière, boues de station d’épuration…). Il requiert toutefois des conditions sévères de température et de pression (jusqu’à plus de 300°C et 200 bar). L’emploi d’un catalyseur permet dans ce cas d’adoucir fortement ces conditions et d’améliorer grandement l’efficacité de celui-ci. La dégradation des polluants implique un mécanisme redox faisant intervenir des radicaux alkoxyles. La robustesse des catalyseurs en conditions hydrothermales est l’enjeu d’une importante recherche. Ce procédé peut être autotherme si la concentration en matière organique est suffisamment élevée. Une variante, en quelque sorte, consiste à utiliser le peroxyde d’hydrogène comme oxydant. Toutefois, si cette option permet d’opérer dans des conditions proches de l’ambiante, les limitations évoquées précédemment dans le cas du procédé Fenton demeurent (coût des réactifs, stabilité des catalyseurs…).

Les procédés de réduction

7Parmi les procédés de réduction pour le traitement des eaux usées, l’hydrodéshalogénation* permet le traitement des polluants halogénés* par action de l’hydrogène en présence d’un catalyseur, notamment le palladium. Ce procédé ne conduit pas à une dégradation complète des polluants, mais permet (i) d’obtenir un effluent dont la toxicité aura été fortement réduite et donc potentiellement biodégradable ou encore (ii) d’envisager une réutilisation des produits chimiques obtenus. La production parallèle d’acide pose un problème environnemental important et elle est à l’origine de la désactivation des catalyseurs.

8Par ailleurs, la réduction catalytique peut être utilisée pour l’élimination des nitrates, bromates, chlorates et perchlorates, largement présents dans les eaux souterraines. Le réducteur utilisé est très majoritairement l’hydrogène et les catalyseurs sont également à base de palladium. Dans le cas de la réduction catalytique des nitrates, issus notamment de l’élevage intensif des porcs et de l’utilisation massive de fertilisants en agriculture, la question de la sélectivité de la réaction est cruciale et il convient d’éviter une sur-réduction qui conduit à la formation d’ammoniaque. La mise en œuvre de ce procédé en conditions réelles reste toutefois problématique compte tenu de sa sensibilité à la présence dans les effluents réels de composés ayant un effet inhibiteur, compétiteur, voire poison, et conduisant à une dégradation importante des performances des catalyseurs.

9En résumé, dans ce domaine du traitement chimique des eaux usées, le champ des possibles reste vaste. Toutefois, à de rares exceptions près, le chemin est encore long à parcourir avant de lever les diverses limites à la mise en œuvre de tels procédés à l’échelle industrielle.

Bibliographie

Référence bibliographique

• S. BAIG et P. MOUCHET – Oxydation et réduction appliquées au traitement de l'eau, Techniques de l’Ingénieur, W2702, 2010.

Table des illustrations

Légende Réacteur photocatalytique de laboratoire. © IRCELYON
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/10012/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 47k

Auteur

Physicochimiste, Directeur de recherche au CNRS, IRCELYON, Villeurbanne, p. 232.
claude.descorme@ircelyon.univ-lyon1.fr

Le texte et les autres éléments (illustrations, fichiers annexes importés) sont sous Licence OpenEdition Books, sauf mention contraire.

Rechercher dans OpenEdition Search

Vous allez être redirigé vers OpenEdition Search