Le traitement biologique conventionnel peut dégrader efficacement la plupart de la DCO dans l’eau, et avec l’ajout de processus de dénitrification anoxique, l’azote total peut également être efficacement éliminé. Cependant, pour le phosphore, les ions de métaux lourds et les ions de dureté, l'effet d'élimination des processus biologiques simples est limité : les micro-organismes ne peuvent assimiler qu'une petite quantité de phosphore par leur propre croissance et métabolisme, qui ne peuvent pas répondre de manière stable aux normes ; tandis que les métaux lourds et les ions de dureté ne peuvent pas être biodégradés et que les systèmes biologiques ne peuvent pas parvenir à une élimination efficace. Les ions de métaux lourds sont toxiques pour les micro-organismes et des concentrations légèrement plus élevées peuvent inhiber les réactions biologiques ; les ions de dureté sont complètement dissous dans l’eau et les systèmes biologiques ne peuvent pas les éliminer.
Pour traiter ces substances, une précipitation chimique est nécessaire-en ajoutant des agents chimiques pour faire passer les ions cibles d'un état dissous à un état insoluble et précipiter, qui est ensuite éliminé par séparation solide-liquide.
I. Principes de base de la précipitation chimique
La logique sous-jacente de la précipitation chimique est la règle du produit de solubilité : l’ajout d’agents précipitants aux eaux usées provoque la combinaison des ions polluants dissous dans l’eau avec les agents, formant des substances solides difficiles à dissoudre dans l’eau. Lorsque la concentration de ces substances dépasse la limite de capacité de charge (produit de solubilité Ksp) du plan d'eau, elles précipiteront automatiquement hors de l'eau, formant des sédiments à séparer.
L'essentiel est que la quantité de précipitant ajoutée doit être suffisante pour réduire la concentration des ions cibles au niveau requis, mais pas excessivement -un précipitant excessif peut provoquer une pollution secondaire (telle que des ions métalliques et des sels résiduels) et augmenter la production de boues.
II. Élimination chimique du phosphore
Le phosphore est le principal responsable de l’eutrophisation des masses d’eau, et les normes de rejet de phosphore total deviennent de plus en plus strictes. L'élimination biologique du phosphore repose sur les bactéries accumulatrices de polyphosphates-pour libérer le phosphore de manière anaérobie, puis éliminer l'excès de phosphore avec les boues restantes au cours des processus aérobies. Cependant, le taux de suppression est limité. Lorsque le phosphore total dans l’affluent est trop élevé, l’élimination biologique du phosphore est insuffisante pour répondre de manière fiable aux normes, et l’élimination chimique du phosphore doit être utilisée comme solution de repli.
Principe : L'ajout de sels d'aluminium (PAC) ou de sels de fer (sulfate polyferrique) fait réagir les ions métalliques avec les ions phosphate pour former des précipités de phosphate d'aluminium ou de phosphate de fer ; de la chaux (Ca(OH)₂) peut également être ajoutée, formant des précipités d'hydroxyphosphate de calcium dans des conditions alcalines.
Réaction du sel d'aluminium : Al³⁺ + PO₄³⁻ → AlPO₄↓ ;
Réaction du sel de fer : Fe³⁺ + PO₄³⁻ → FePO₄↓ ;
Réaction à la chaux : 5Ca²⁺ + 4OH⁻ + 3PO₄³⁻ → Ca₅(OH)(PO₄)₃↓ ;
Emplacement d’ajout : Il existe trois options. Le pré-ajout avant la cuve de traitement biologique entraîne un temps de réaction long, mais l'impact des sels d'aluminium sur les micro-organismes reste controversé ; l'ajout simultané à l'extrémité de la section aérobie du réservoir de traitement biologique utilise l'aération et l'agitation pour favoriser la réaction, qui est la méthode la plus courante dans les stations d'épuration municipales, et le coagulant favorise la floculation des boues activées ; le post-ajout après le bassin de décantation secondaire, dans la section de traitement avancé, élimine directement et précisément le phosphore résiduel, nécessite le moins de dosage, produit le moins de boues, mais nécessite une installation de réaction et de sédimentation distincte. Le choix spécifique dépend du déroulement du processus et des exigences de conformité en matière de phosphore.
Points opérationnels clés : La clé de l'élimination chimique du phosphore consiste à faire correspondre le dosage du produit chimique avec la concentration totale de phosphore dans l'affluent. Lorsque la concentration de phosphore total dans l'affluent fluctue de manière significative, un compteur de phosphore total en ligne ou un échantillonnage périodique est nécessaire pour ajuster le dosage. Le pH de l'effluent nécessite une attention particulière-l'ajout de sels d'aluminium et de fer consomme de l'alcalinité et l'efficacité de l'élimination du phosphore diminue lorsque le pH est inférieur à 6 ; l'ajout de chaux augmentera le pH de l'effluent, nécessitant un ajustement. Les boues chimiques produites par l'élimination du phosphore contiennent une grande quantité de matière inorganique et ont de bonnes performances de déshydratation ; elles doivent être éliminées autant que possible séparément des boues biologiques.
III. Élimination des métaux lourds
Les eaux usées provenant d'industries telles que la galvanoplastie, la métallurgie, les mines et l'électronique contiennent des ions de métaux lourds tels que le cuivre, le zinc, le plomb, le cadmium, le nickel et le chrome. Les métaux lourds sont hautement toxiques et non-dégradables, nécessitant un contrôle strict.
Principe : L'ajout d'alcalis (NaOH, Ca(OH)₂) ou de sulfures (Na₂S, NaHS) provoque la précipitation des ions de métaux lourds sous forme d'hydroxydes ou de sulfures. La précipitation d'hydroxydes est une méthode simple et peu coûteuse-, ce qui en fait l'approche courante. La précipitation des sulfures a un produit de solubilité plus faible et une efficacité d'élimination plus élevée (en particulier pour le mercure et le cadmium), mais une addition excessive de sulfures produit du gaz H₂S toxique, nécessitant des conditions alcalines pour empêcher la fuite de H₂S. Pour le chrome hexavalent (Cr⁶⁺) dans les eaux usées contenant du chrome-, il doit d'abord être réduit en chrome trivalent (Cr³⁺) avec un agent réducteur (bisulfite de sodium, métabisulfite de sodium), puis précipité sous forme de Cr(OH)₃ avec un alcali.
Points opérationnels clés : le contrôle du pH est primordial -chaque métal lourd a une plage de pH optimale pour la précipitation des hydroxydes (généralement entre 8 et 10), et ces plages varient. La coexistence de plusieurs métaux lourds dans les eaux usées mélangées doit être prise en compte de manière globale, en choisissant une valeur de pH de compromis ou une précipitation progressive. Une fois la réaction de précipitation terminée, un coagulant (PAC+PAM) doit être ajouté pour améliorer la séparation solide-liquide ; sinon, de fines particules de précipités s'infiltreront dans l'effluent. Les complexes peuvent interférer avec les précipitations-par exemple, le cyanure-contenant des complexes de métaux lourds nécessitent une rupture complexe avant la précipitation.
PIV. Élimination de la dureté (adoucissement)
Les ions de dureté sont principalement des ions calcium (Ca²⁺) et magnésium (Mg²⁺). Ils provoquent du tartre dans les systèmes à membrane (RO, NF), forment du tartre dans les équipements d'échange thermique, réduisant l'efficacité de l'échange thermique et affectent la qualité du nettoyage dans l'industrie de la blanchisserie.
Principe : En utilisant des agents chimiques pour convertir les ions calcium et magnésium en CaCO₃ et Mg(OH)₂, la plupart des ions calcium et magnésium peuvent être éliminés.
Points opératoires : Le pH de l'effluent adouci est élevé et doit être ajusté à neutre par ajout d'acide avant d'entrer dans les unités de traitement ultérieures ou d'être rejeté. La réaction de précipitation nécessite un temps de rétention suffisant et doit être combinée avec une coagulation et une floculation pour améliorer l'effet de précipitation. Les boues adoucies sont produites en grande quantité, principalement composées de carbonate de calcium et d'hydroxyde de magnésium, qui peuvent être déshydratées et utilisées comme matériau de construction ou envoyées en décharge.
V. Positionnement des trois processus de précipitation dans le processus d'écoulement
L'élimination chimique du phosphore est souvent réalisée simultanément à l'étape de traitement biologique ou après l'étape avancée ; l'élimination des métaux lourds est un prétraitement à l'extrémité influente pour protéger le système biologique ; le ramollissement pour éliminer la dureté est généralement effectué à l’avant du traitement de réutilisation (avant le système de membrane). Les trois peuvent être utilisés en combinaison en fonction des exigences de qualité de l'eau-les eaux usées contenant des métaux lourds-contenant des substances chimiques subissent généralement une précipitation chimique pour éliminer les métaux lourds avant d'entrer dans le processus de traitement biologique ; L'élimination simultanée du phosphore + l'élimination avancée du phosphore sont une pratique courante pour les eaux usées municipales ; et dans les projets de réutilisation, le ramollissement est effectué avant la membrane.