assainissement industriel_caractérisation des eaux usées
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GCH-2101 Assainissement industriel
Préparé par B. Grandjean, Département de génie chimique Université Laval
P2P2-- Eau : Eau : 11
Chapitre 2: Caractérisation des
eaux usées
2.1 Les composés polluants
• Les composés organiques solubles
(biodégradation => diminution de O2)
• Les solides en suspension: dépôts
dans les zones tranquilles; leur fraction
organique peut se décomposer et
engendrer une diminution de O2 dissous
et un relarguage de gaz nocifs.
Composés polluants (suite)
• Des composés organiques à l'état de
trace (comme le phénol) sources de
goût et d'odeur dans des eaux qui
seraient destinées à la consommation.
• Des composés minéraux ou organiques
sources de couleur et de turbidité des
eaux
• Des métaux lourds, cyanures et
composés organiques toxiques (voir
liste de l'Environmental Protection
Agency EPA p a2.6)
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Composés polluants (suite)
• Azote et Phosphore (nitrates,
phosphates) dont la présence favorise
l'eutrophication de certains milieux
aquatiques
• Certaines substances réfractaires à la
biodégradation dont la persistance
dans le milieu est nocive ou
inesthétique (mousse).
Composés polluants (fin)
• Certains composés volatils (i.e. H2S)
dont le relarguage aggrave la pollution
atmosphérique.
• Des composés acides ou basiques
entraînant des valeurs de pH de l'eau
incompatible avec la vie aquatique.
• Microorganismes pathogènes
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2.2 Grandeurs caractéristiques de
la charge polluante d'un effluent2.2.1 Matières solides:
LMatières solides totales (mg/L): ce qui
reste après évaporation à 103/105oC
MST
LMatières en suspension (mg/L) :ce qui
est récupéré sur un filtre de 1µm MES
Matières totales dissoutes:
MTD=MST-MES
Matières solides (suite)
LMatières décantables (mL/L):volume
des solides qui sédimentent dans un
cône de Imhoff après 1 H
LMatières solides volatiles (mg/L) MSV:
MES qui se volatilisent au four à 550oC
LMatières solides fixes MSF=MES-MSV
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matières solides (fin)
L Matières volatiles dissoutes:MTD
(filtrables) qui se volatilisent à 550oC
MVD(mg/L)
LMatières fixes dissoutes
MFD= MTD-MVD
Taille des matières solides
Pdissoutes < 10-3µm (10-6 mm)
Pcolloïdales 10-3<d<1 µm
Pen suspension >1µm
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Les matières solides:
Matières solides
Matières
solides
totales
(MST)
en
suspension (MES)
décantables
(MD)
inorganiques (fixes)
organiques (volatiles) matières solides
volatiles (MSV)non
décantables
organiques (volatiles)
inorganiques (fixes)
dissoutes
totales(MTD)
colloïdales inorganiques (fixes)
organiques (volatiles) matière volatiles
dissoutes (MVD)dissoutes organiques (volatiles)
inorganiques (fixes)
2.2.2 Demande biochimique en
oxygène, DBO-DBO5
• biodégradation de composé organique
par des micro-organismes (bactéries)
• Comp.Org + O2 + cellules (biomasse)
(présence de nutriments N,P) ==>
CO2+H2O+NH3
+cellules+résidu +énergie
(cellules=C5H7O2N)
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DBO (mg/L)
P après 20 jours, tous les composés
oxydables sont oxydés
PDBO=quantité d'O2 utilisé
P DBO20 = DBO ultime
P valeur de la DBO après 5 jours:
DBO5
Courbes de DBO
T e m ps (j ou rs)
2 4 6 8 10 12 14 16 18
y =D B O (t )
D B O u lt im e ,L o
D B O d e se c on deé ta pe
8888D B O 5 (t =5jou rs)
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DBO(suite)
• Dans les conditions d’opérations du test de DBO, la disparition de la matière organique suit une cinétique du premier ordre et la variation de la concentration en substrat organique C s’exprime suivant:
)]exp(1[)()0( 00 ktCtCtCkCdt
dC−−=−=⇒−=
DBO(suite)– La quantité d’oxygène consommé, y,
jusqu’au temps t, étant proportionnelle à la quantité de substrat disparu [C0-C(t)], le modèle cinétique retenu pour la variation dans le temps de la DBO s’exprime:
y DBO , exercée au temps t L0 DBO ultime quand t = infini L DBO restante (ce qui reste à consommer
pour atteindre la DBO ultime)K (ou k)Constante de vitesse
y L L L e Lkt Kt
= − = − = −− −
0 0 01 1 10( ) ( )
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DBO(suite)
• Constante de vitesse qui varie avec la
température suivant une loi d’Arrhénius
Pour des eaux usées domestiques par
exemple on suggère
= 1.135 pour 4<T<20o C
= 1.056 pour 20<T<30o C
K KT
T=
−
20
20θ
( )
θ
DBO de seconde étape
• après incubation (6-10 j) les bactéries
nitrifiantes (Nitrosomonas ,Nitrobacter)
oxydent NH3 :nitritation
NO2-:nitratation
• NH3 + O2 + cellules=> NO2-
• NO2- + O2 + cellules=>NO3
-
Biodégradation: Comp.Org + O2 + cellules (biomasse) ==> CO2+H2O+NH3 +cellules+résidu +énergie
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Mesure de DBO parfois difficile:A: idéale B: biodégradation après acclimatation
C:mauvaise acclimatation D: effluent toxique
A
B
C
D
Tem ps
D BO
Procédure expérimentale pour la
mesure de la DBO
Air
Eau distillée +
Ensemencement
(bactéries)+nutriments
saturée en oxygène
300 mL
témoin
test
dans le noir, à 20o C
à 5 j, on mesure O2
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Demande chimique en oxygène
DCO (mg/L)
• O2 consommé par oxydation au
dichromate de potassium
• caractérise les composés oxydables
(biodégradable et non biodégradable)
• DCO > (ou =) DBO
• DCO/DBO fonction effluent
• (voir p a2.1-a2.2)
Demande théorique en oxygène
DThO (mg/L)
• C'est la quantité d'oxygène pour oxyder
complètement un composé en produits
stables (CO2, H2O, NO3). Pour la
plupart des composés organiques, à
l'exception de certains composés
aromatiques, on a DThO =COD
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Carbone organique total
COT (mg/L)
• Il représente la teneur en carbone lié à
la matière organique. La technique
repose sur la mesure du CO2 après
oxydation
Azote Kjeldahl (NTK, mg/L)
• Il représente la quantité d'azote sous
formes réduites : organique et
ammoniacale (N-NH4-), abusivement
appelé azote total.
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Azote global
• C'est la somme des formes oxydées et
réduites de l'azote : azote organique,
ammoniacal et des formes oxydées
(nitrites et nitrates).
• On trouvera aux pages a2-8,9 les valeurs
de ces grandeurs caractéristiques pour
différents types d'effluents ou de
composés organiques
Recommandations pour le rejet
d ’eaux usées (p a2-7)
• DBO5 20 mg/L
• MST: 25 mg/L
• pH: 6-9
• Température: effet < 1oC pour le milieu
récepteur
• Dilution non acceptable
Vérifier si Norme par secteur d ’activité
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Exemple de charges polluantes typiques
d ’eaux usées
Eaux usées
urbaines
Industrie
alimentaire(lait)
Lisier de porc Recommandations
fédérales desrejets
MST (mg/L) 900 1600
MES (mg/L) 300 300 30 000 - 80 000 25
DBO5 (mg/L) 240 1000 10 000 - 30 000 20
DCO (mg/L) 400 1900 25 000 - 60 000
COT (mg/L) 170
P (mg/L) 8 12 1
N (mg/L) 30 50 3000-4000 (NH4)
Normes de rejets fixées par secteurs industriels:
Secteur des pâtes et papiers: charge exprimée par tonne produite (pour éviter
les dilutions)
http://www.mddep.gouv.qc.ca/milieu_ind/bilans/pates2009/bilan09.pdf
tsa tonne métrique de production à une teneur en eau de 10 %
COHA composés organiques halogénés adsorbables
(*) Toxicité : =1 si 50% de mortalité après 96h sur effluent brut
=3 si 50% de mortalité après 96h sur effluent dilué 1 ds 3 vol.
(*) Voir guide d’application du règlement: http://www.mddep.gouv.qc.ca/eau/eaux-usees/guide-applicationRFPP.pdf
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Secteur des raffineries de pétroles
http://www.mddep.gouv.qc.ca/milieu_ind/bilans/petroliere/2009/raffineries2009.pdf
Eaux usées domestiques
et équivalent-habitant• tableau p a2.3: gramme/jour/habitant
• DBO5: 54
• DCO: 110
• MES: 60
• Azote: 15
• Phosphore:2.5
• exemple de calcul
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Calcul d ’équivalent-habitant
• En 95, les rejets de la raffinerie Ultramar était de 8852 m3/j contenant 161 kg/m3 de MES, 26.9 kg/m3 d ’huiles et graisse, 24.4 kg/m3
d ’azote ammoniacal (re. SLV2000).
• Calculer le nombre d ’ équivalent-habitants de ce rejet en terme de MES et de N
Nbre d ’E-H (MES)= 8852 . 161. 1000 / 60 = 23.75 Millions
• Nbre d ’E-H (N)= 8852 . 24.4. 1000 / 15 = 14.40 Millions
Variation dans le temps des
caractéristiques d'un effluent
• Situations:
-mode discontinu de production
-arrêt fin de semaine ou saison
-variabilité des réactifs ou produits
• Effet néfaste sur les procédés de
traitement en aval
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Nécessité de bien caractériser un
effluent industriel avant de
vouloir le traiter
2.3 Effet de la pollution de l'eau
sur l'environnement et le biotope
• suite à un déversement d'eaux usées
domestiques dans une rivière, en aval
variations significatives :
• de la concentration en oxygène dissous
dans l'eau (sag curve ou courbe en sac)
• de la répartition des espèces (des trois règnes bactérien, végétal et animal)
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P2P2-- Eau : Eau : 1717
sag curve = courbe en sac
Pollution par les microorganismes
• caractérisation difficiles des
pathogènes:
- ne survivent pas longtemps
- en petite quantité
on ne les décelle pas au labo
• analyse longue et coûteuse
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P2P2-- Eau : Eau : 1818
Indicateur bactériologique de la
qualité de l'eau: coliforme fécal• micro-organisme plus résistant, en plus
grand nombre (non pathogène, présent
normalement dans les intestins) dont la
présence indique donc une contamination
de l'eau d'origine fécale (qui pourrait être
possiblement pathogène).
• Escherichia Coli ( quelques souches pathogènes dont E Coli O157)
http://www.mddep.gouv.qc.ca/eau/recreative/qualite.htm
LLa classification de la qualité de l’eau pour la protection des activités récréatives
Le ministère du Développement durable, de l’Environnement et des Parcs utilise
une classification de la qualité de l’eau basée sur les teneurs en coliformes fécaux, afin d’évaluer si celle-ci est suffisamment sécuritaire pour qu’on puisse l’utiliser à des fins récréatives. La présentation des résultats diffère selon le type de programme de suivi : celui du Réseau-rivières et le programme Environnement-plage.
http://www.mddep.gouv.qc.ca/eau/recreative/qualite.htm
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Qualité de l'eau (usage récréatif) à l'embouchure
de certaines rivières du Québec 1998-2000
http://www.mddep.gouv.qc.ca/eau/recreative/graph-colifecaux.htm
http://www.mddep.gouv.qc.ca/eau/bassinversant/bassins/stlaurent/plages2008.pdf
2008
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P2P2-- Eau : Eau : 2020
2009
http://www.mddep.gouv.qc.ca/eau/bassinversant/bassins/stlaurent/plages2009.pdf
Les réseaux d'assainissement
• réseau unitaire: dans le même collecteur,
on retrouve mélangées
- les eaux usées urbaines + eaux de pluie
ou
- les eaux usées industrielles+eaux de pluie
• réseau séparatif:-un réseau pour les eaux usées-un réseau pour les eaux de pluie