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Décontamination par voie électrolytique des eaux résiduaires domestiques par électroxygénation/superoxydation (EO-SO).

Guitaya, Mandé Léa Rosine (2013). Décontamination par voie électrolytique des eaux résiduaires domestiques par électroxygénation/superoxydation (EO-SO). Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 272 p.

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Résumé

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Depuis quelques décennies, l'explosion démographique et les activités humaines ont entraîné dans l'environnement l'apparition de divers types de polluants réfractaires. Pour mieux contrer cette menace, des normes sévères sont imposées aux collectivités locales en matière d'.assainissement. Cependant, les procédés de traitement des eaux usées conventionnels utilisés pour l'épuration d'effluents ne sont pas souvent adéquats pour certains types de polluants réfractaires. Au nombre des composés organiques persistants (POPs) couramment décelés dans les EUD se trouvent des produits pharmaceutiques et de soins personnels (PPSP) tels que les hormones et la carbamazépine. Le risque potentiel associé à la présence de ces produits est actuellement au coeur des débats. Dans l'optique de limiter les risques environnementaux en matière de rejets, les techniques électrolytiques pourraient être une alternative intéressante. Les avantages de ces techniques résident dans leur aspect non polluant, leur facilité d'automatisation et elles ne nécessitent pas forcément l'ajout de réactifs chimiques. Le procédé d'électrooxygénation/superoxydation (EO-SO) proposé est une technique électrolytique d'oxydation avancée qui combine à la fois les effets d'oxydation directe et indirecte du courant électrique pour le traitement des EUD. Il consiste à produire in situ le peroxyde d'hydrogène (H202) par réduction cathodique de l'oxygène dissous et de générer ' simultanément il l'anode d'autres EORs tels que les radicaux hydroxyles (°OH). Le développement de ce procédé vise la désinfection et la dégradation de polluants difficilement biodégradables rencontrés dans les EUD. Les premiers travaux ont consisté à évaluer la capacité de production des EORs (ex. H202, 03, °OH) du système électrolytique. L'étude de la production des EORs, montre que la concentration du peroxyde d'hydrogènes augmente avec l'intensité imposée. Des concentrations de H202 allant jusqu'à 15 mg/L pouvaient être obtenues. Aussi, d'autres EORs tels que l'ozone (0.008 - 0.13 mg/L) et le radical hydroxyle +ozone (0 ,9- 4,7 mg/L) ont été également mises en évidence lors de l'application du procédé EO-SO. L'efficacité de désinfection et d'oxydation de la matière organique, aussi bien sur des solutions synthétiques que sur des EUD et EUM sont relativement importantes. Les composés organiques (DCO réfractaires) peuvent être éliminés à plus 90 %, alors que 99 % d'abattement des CF peut être atteint. Cette élimination de polluant dissous s'accompagne d'une baisse importante de la turbidité (plus de 90 % d'abattement). Subséquemment des travaux ont été entrepris pour évaluer l'efficacité épuratoire du système électrolytique en présence d'un polluant persistant de type pharmaceutique, en l'occurrence la carbamazépine (CBZ). Un plan d'expérience a été appliqué pour déterminer les conditions optimales de dégradation de la CBZ (20 mg/L). Le plan factoriel a démontré que l'anode et le temps sont des paramètres les plus influents lors de la dégradation de la CBZ par le procédé EO-SO. La contribution de l'effet de ces deux paramètres sur la réponse est estimée à environ 90 %, alors que les effets de l'intensité, du QR et les autres interactions représentent moins de 10 %. Par la suite, un plan central composite a été employé pour définir les conditions optimales de dégradation de CBZ. Le type d'anode et le temps se sont révélés être les .paramètres les plus importants dans la dégradation de la CBZ. Ils ont des effets positifs sur la réponse. L'utilisation de l'anode Ti/Pb02, à une intensité de 1.0 A pendant 100 min a été retenue comme étant les conditions optimales. Dans ces conditions, 77 % d'abattement de CBZ pour un coût total de 0.34 $/m³ a été obtenu. Les essais de dégradation de la CBZ ont montré que le couplage électrochimique d'une oxydation anodique sur une électrode TilPb02 et d'une oxydation indirecte en solution est relativement efficace. L'association des effets directs et indirects permet une dégradation plus importante (74 %) que le seul peroxyde (12 %) et l'action seule de l'oxydation anodique (64 %). L'efficacité épuratoire du procédé EO-SO comme traitement tertiaire a été évaluée pour la désinfection, la dégradation de la DCO réfractaire et l'élimination simultanée de la coloration des eaux domestiques prélevées en aval d'un biofiltre Ecoflo™ de la compagnie Premier Tech. Plusieurs paramètres opératoires ont été étudiés, dont l'IC, le type d'électrode anodique, le QR et l'injection ou non d'oxygène dans la boucle de recirculation. Les meilleurs résultats ont été enregistrés en utilisant des électrodes de Ti/Pb02 (anode) et de feutre de carbone (FC) (cathode) fonctionnant à une IC de 2.0 A pendant un temps d'électrolyse de 90 min et un QR de 4.0 L/min. Dans ces conditions expérimentales, un taux d'abattement moyen de la DCO de 76 ± 3%, un taux d'élimination de la couleur de 60 ± 6% et une désinfection totale ont été enregistrés. Aussi, la présence d'un contaminant émergent réfractaire telle que la carbamazépine (CBZ) peut être simultanément éliminé à 65 ± 1 % dans un tel effluent soumis au procédé EO-SO. L'action combinée des effets (effets direct et indirect) du courant électrique permet d'éliminer plus efficacement ces polluants par rapport à l'action du seul peroxyde (effet indirect) ou de l'action directe seule. Le coût énergétique (consommation d'énergie électrique) est estimé à 0.53 ± 0.04 $/m² d'eau traitée. Une autre partie de la recherche visait également à évaluer les performances du système électrolytique en mode d'opération continue pendant plusieurs jours de sorte à tester l'efficacité et la robustesse du procédé EO-SO dans ce mode opératoire. L'efficacité épuratoire a été évaluée pour la désinfection, la dégradation de la DCO réfractaire et l'élimination simultanée de la coloration des eaux. Le QE, le QR et l'IC ont été étudiés. Trois campagnes de pilotage sur site ont été réalisées. Les meilleurs résultats ont été enregistrés lors de la deuxième et troisième campagne d'essais en imposant les conditions suivantes : 1 = 3A ; Qr = 8 L/min ; QE = Qs = 150 mL/min avec l'anode Ti/BDD. En particulier, l'étude en mode continu réalisée sans interruption 24h/24h pendant une période de quatre semaines a permis de mettre en évidence la stabilité et les performances à long terme du système EO-SO. Une désinfection totale a été enregistrée (soit 3.5 unités d'abattement logarithmique), alors que le taux moyen d'élimination de la couleur se situait autour de 26 ± 4.7% et l'abattement de la turbidité autour 39 ± 6.0%. Le système EO-SO est également capable d'éliminer une fraction de DCO réfractaire au cours du temps en mode d'opération continue, quoique minime (meilleur taux d'abattement estimé à 27.5 ± 4.4 %) par rapport aux résultats enregistrés (abattement pouvant atteindre 51.4 ± 3.0 %) lors des essais menés au laboratoire en mode batch. Enfin, les deux derniers chapitres sont consacrés aux conclusions générales et recommandations de l'étude. Les principaux points de l'étude sont successivement et succinctement énumérés. Les perspectives présentées dans ce chapitre sont très précises et indiquent modestement la nécessité d'effectuer une étude complémentaire visant surtout à améliorer le procédé EO-SO pour l'oxydation de la DCO réfractaire en mode d'opération continue et de définir plus nettement les coûts d'implantation et d'exploitation du procédé EO-SO en couplage avec le procédé Ecoflo (système de biofiltration). Ces travaux complémentaires devraient permettre de tracer la voie du développement industriel de ce procédé électrolytique d'oxydation avancée (procédé EO-SO).

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Drogui, Patrick
Co-directeurs de mémoire/thèse: Blais, Jean-François
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: décontamination; assainissement; eau résiduaire domestique; électrolytique; électroxygenation; superoxydation
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 12 mars 2014 15:41
Dernière modification: 20 nov. 2015 15:07
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/2101

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