Recyclage des eaux avant le système de traitement des effluents

L’eau douce est une ressource naturelle vitale et indispensable, non seulement pour l’existence et l’évolution de l’être vivant et de ses activités quotidiennes, mais aussi pour sa contribution importante dans le développement social et économique des populations [1]. Bien que l’eau représente un pilier majeur des écosystèmes au Canada, elle est indissociable de l’expansion et de la prospérité des grands secteurs industriels canadiens exploitant nos ressources naturelles. Notamment, les industries œuvrant dans les secteurs de l’énergie, des mines, de la forêt et de l’agriculture ont un impact majeur sur la prospérité économique du pays.

Le Canada est généralement perçu comme étant particulièrement privilégié en raison de l’abondance de ses ressources en eau douce. Avec une population représentant 0,5% de la population mondiale, le Canada possède environ 20 % des réserves d’eau douce de la planète ce qui n’équivaut toutefois qu’à 7 % des réserves renouvelables de celle-ci [2]. Cette apparente abondance d’eau dissimule cependant d’imminents problèmes de rareté pour les secteurs importants que sont ceux des ressources naturelles et pour la survie de certaines de nos régions. D’une part, environ 60 % de l’eau douce de surface coule vers le nord du pays tandis que 85 % de la population vit dans la partie sud où se déroule une grande partie des activités économiques. Ainsi, la majorité des ressources en eau ne se trouvent pas à l’endroit où elle est requise pour son utilisation. D’autre part, les canadiens sont classés parmi les plus grands consommateurs d’eau au monde. Les statistiques indiquent que les Canadiens arrivent au deuxième rang mondial, après les Américains, avec une consommation moyenne d’environ 1 650 mètres cubes par habitant par année, soit plus du double de la consommation moyenne européenne [3].

La ressource en eau est tributaire de nombreuses utilisations concurrentes, notamment par les grands secteurs industriels, la production d’énergie thermique, l’agriculture et l’approvisionnement en eau potable pour la population. À titre d’exemple, les industries canadiennes de la fabrication ont prélevé 3 677,5 millions de mètres cubes d’eau par an en 2011 [4]. De ce total, 95 % ont été prélevé par cinq industries, notamment celles du papier (36 % du prélèvement total), suivie des fabriques de première transformation des métaux (29,3 %), de produits chimiques (12,3 %), des aliments (9,4 %) et celles du pétrole et du charbon (7,9 %). L’industrie canadienne de la fabrication prélève de grandes quantités d’eau et par conséquent évacue d’importants volumes d’effluent. En effet, le secteur manufacturier a rejeté 3 226,8 millions de mètres cubes en 2011 dont 76,6 % a été évacuée dans des plans d’eau douce de surface, 13,0 % dans les plans d’eau salée, le reste ayant été rejeté dans les égouts municipaux, eau souterraine ou d’autres points d’évacuation [4]. Les industries du papier ont rejeté 39,7 % de ce total, dont 80,9 % ont été rejetés dans des plans d’eau douce de surface et 79,5 % de ce total ont été soumis à un traitement secondaire ou biologique. Les industries de première transformation des métaux ont évacué 28,1 % du total et 95,3 % de leurs effluents ont été rejetés dans des plans d’eau douce de surface. Un peu moins de la moitié de leurs eaux évacuées (43,5 %) n’ont été soumises à aucun traitement, 17 %, à un traitement primaire et 39,4 %, à un traitement secondaire ou biologique ou à un traitement tertiaire ou avancé. Quant aux fabriques du pétrole et du charbon, elles ont déversé 7,9 % du total des eaux utilisées par les industries de la fabrication, dont 67,2 % rejetées dans les eaux douces de surface. De ce volume, 27,7 % sont rejetés sans être traités, 57,8 % après un traitement primaire et 14,5 % après un traitement tertiaire ou avancé.

La consommation d’eau (calculée comme étant l’eau prélevée moins l’eau évacuée) est un indicateur de la quantité d’eau perdue en cours de production. Cette eau perdue est soit incluse dans les produits ou évaporée. De ces données, il est possible de calculer le taux de consommation qui correspond au volume d’eau consommée exprimé en pourcentage de l’ eau prélevée. Ainsi, pour l’année 2011 , la consommation d’eau par le secteur industriel a été estimée à 355,66 millions de mètres cubes [4]. Les plus grandes consommatrices ont été les industries des métaux de première transformation avec 140,5 millions de mètres cubes (39,5 % de la consommation totale) et les industries chimiques avec 94,5 millions de mètres cubes, soit 26,6 % de la consommation totale. L’ensemble de ces données statistiques dresse un portrait assez précis sur l’utilisation de l’eau par le secteur industriel. L’industrie utilise et consomme davantage d’ eau que tout autre secteur au pays, car elle ne pourrait pas fonctionner si elle ne disposait pas d’eau pour le fonctionnement de ses procédés, le refroidissement, la production de vapeur, la condensation et l’évacuation de ses rejets.

De plus, selon les prévisions économiques, ce secteur devrait connaître une croissance à long terme variant de 50 % à 65 % d’ici 2030. Il est également estimé que la population du Canada augmentera de 25 % d’ici 2050 et que son économie s’accroîtra d’environ 55 % d’ici 2030 [2]. Par conséquent, il est indéniable que ces changements prévus contribueront à accentuer les pressions sur nos ressources en eau douce et auront une incidence considérable sur sa disponibilité. Compte tenu de l’essor actuel et anticipé des secteurs œuvrant dans l’exploitation des ressources naturelles, il faut se questionner à savoir si le Canada possède suffisamment d’eau pour soutenir la croissance économique anticipée tout en assurant la santé de ses écosystèmes. En ajoutant l’influence probable d’autres stress, tels que les changements climatiques et la progression résultant de la fréquence des phénomènes climatiques extrêmes, il en va possiblement de la pérennité de nos ressources en eau. Par conséquent, des actions devront être prises rapidement par les gouvernements pour mieux protéger cette ressource.

Ainsi, l’exploitation durable de ces ressources naturelles doit se faire en tenant compte des impacts que peut avoir ce développement industriel sur celles-ci. Il s’avère nécessaire d’établir les meilleures conditions permettant d’assurer la prospérité économique par la mise en valeur de nos ressources naturelles tout en protégeant nos écosystèmes aquatiques et leur santé. L’accès à des réserves propres et durables d’eau est donc essentiel au fonctionnement et à la croissance de ces grands secteurs industriels.

Recyclage des eaux avant le système de traitement des effluents 

L’approche de recyclage des eaux avant le système de traitement des effluents est largement utilisée par les usines existantes. Elle consiste à décontaminer et recycler les eaux blanches de la machine du papier à l’aide de boucles de recirculation autour de la machine. Les eaux blanches, par définition, sont les eaux résiduaires de la fabrication du papier contenants des fines fibres provenant du papier essoré, des produits chimiques et d’autres matières en suspension .

Cette stratégie de traitement interne permet la réutilisation d’ eaux blanches afin de pouvoir réduire la charge polluante sur le système d’épuration, la consommation de produits et d’additifs chimiques ainsi que la consommation d’énergie.

Dans l’optique d’une réduction de la consommation d’eau fraîche telle que décrite précédemment, il serait logique de tenter une fermeture plus poussée des circuits d’eaux blanches. Toutefois, à partir d’un taux de fermeture des eaux blanches de 80%, cette approche est généralement associée à une augmentation importante de la concentration des contaminants dans les eaux blanches de la machine à papier.

L’accumulation des contaminants sous forme d’ions, de sels, de matières solides (telle que les fibres fines), de matières colloïdales, de charges minérales, ainsi que l’augmentation importante de la température des eaux de procédés des machines à papier causent de graves problèmes de corrosion, d’entartrage, de drainage et une prolifération bactérienne dans le système qui affectent les équipements de fabrication et la qualité finale du produit [8, 9]. Cette approche a donc des limites et ne peut pas être envisagée pour rencontrer les objectifs des stratégies à l’étude par les diverses instances gouvernementales décrites précédemment.

Table des matières

Chapitre 1 – Introduction
Chapitre 2 – Problématique
2.1 Recyclage des eaux avant le système de traitement des effluents
2.2 Recyclage des eaux après un système de traitement tertiaire
2.3 Objectifs et originalité
Chapitre 3 – Revue de littérature
3.1 Les métaux lourds
3.1.1 Défmition et toxicité
3.1.2 Technologies de traitement avancé adoptées
3.2 Procédé d’adsorption
3.2.1 Aspects théoriques du procédé d’ adsorption
3.2.1.1 Généralités
3.2.1.2Cinétique et mécanismes d’adsorption
3.2.1.3Modèles cinétiques d’adsorption
3.2.1.4Isothermes d’adsorption
3.2.1.5 Thermodynamique de l’adsorption
3.2.1.6 Propriétés électriques des surfaces adsorbantes
3.2.2 Matériaux adsorbants
3.2.2.1 Le charbon actif
3.2.2.2 Résines échangeuses d’ions
3.2.2.3 Adsorbants à faible coût
3.3 Le chitosane
3.3.1 Structure chimique et origine
3.3.2 Solubilité du chitosane
3.3.3 Caractéristiques du chitosane
3.3.4 Modification du chitosane
3.3.4.1Modification chimique
3.3.4.2Modification physique
3.4 Mécanismes d’adsorption des métaux lourds par le chitosane
3.4.1 Mécanismes de chélation
3.4.2 Mécanismes d’échange d’ions / Interaction électrostatique
3.5 Les nanofibres
3.5.1 Le procédé d’électrofilage «Electrospinning »
3.5.1 .1 Généralité
3.5.1.2 Principe
3.5.2 Fabrication des nanofibres par électrofilage
3.5.2.1 Propriétés du polymère choisi
3.5.2.2 Effet du mélange
3.5.2.3 Effets des caractéristiques du polymère à électrofiler
3.5.2.4 Effets des propriétés de la solution du polymère sur la morphologie des nanofibres
3.5.2.5 Influence des paramètres d’électrofilage sur la morphologie des nanofibres
3.5.2.6 Influence des conditions expérimentales d’électrofilage sur la morphologie des nanofibres
3.6 Influence des conditions opératoires d’adsorption sur l’élimination des métaux lourds
3.6.1 Effet du pH
3.6.2 Effet de la température
3.6.3 Effet de la concentration initiale des contaminants
3.6.4 Effet de la dose d’adsorbant
3.6.5 Effet de la force ionique
3.7 Sélectivité et régénération du matériau adsorbant
3.7.1 Sélectivité du matériau
3.7.2 Régénération du matériau
Chapitre 4 – Matériels et méthodes
4.1 Plan expérimental
4.2 Produits utilisés
4.2.1 Fabrication des nanofibres
4.2.2 Adsorption
4.3 Matériel et méthodes
Chapitre 5 – Article scientifique 1
5.1 Avant-propos
5.2 Résumé
5.3 Abstract
5.4 Introduction
5.5 Experimental
5.5.1 Materials
5.5.2 Methodology
5.5.2.1 Electrospinning ofnanofibers
5.5.2.2 Nanofibres stability and neutralization treatment
5.5.2.3 Nanofibres morphology characterization
5.5.2.4 Adsorption procedure
5.5.2.5 Adsorption kinetic models
5.5.2.6 Adsorption isotherms
5.5.2.7 Experimental design
5.6 Results and discussions
5.6.1 Scanning electron microscopy results
5.6.2 Kinetic study results
5.6.3 Equilibrium study
5.6.4 Thennodynamic study
5.6.5 Fitting of the quadratic model
5.6.5.1 Sorted parameter estimates analysis
5.6.5.2 Surface profiler analysis
5.6.5.3 Refined model analysis
5.6.5.4 Surface profiler analysis
5.6.5.5 Response surface analysis
5.7 Conclusions
5.8 Acknowledgement
5.9 References
Chapitre 6 – Conclusion

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