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Enlèvement par voie électrochimique des métaux de boues d'épuration biologiques municipales.

Beauchesne, Isabel (2008). Enlèvement par voie électrochimique des métaux de boues d'épuration biologiques municipales. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 326 p.

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Résumé

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Les boues d’épuration sont des matières résiduelles fertilisantes. En ce sens, elles peuvent constituer d’excellents amendements organiques et engrais pour des sols dégradés ou encore des terres cultivées. Elles ont aussi le potentiel d’être utilisées comme matière première économique pour la production de dérivés microbiens d’intérêt commercial. Toutefois, leur contenu souvent trop élevé en contaminants, tels les métaux toxiques et les pathogènes, restreint leur valorisation. Le présent travail vise l’élaboration d’un procédé électrochimique de traitement de boues d’épuration municipales contaminées principalement par des métaux. Plus précisément, le traitement permet d’éliminer les contaminants réglementés pour leur épandage, par lixiviation en milieu acide et électrodéposition simultanées, tout en préservant leurs propriétés fertilisantes, et ce, à un coût abordable. Un tel procédé permet que la neutralisation de la boue soit effectuée avant l’étape de séparation solide/liquide, ce qui améliore la déshydratabilité de la boue comparativement à un procédé de décontamination par lixiviation chimique. Cela permet aussi d’obtenir directement un effluent et une boue de qualité environnementale élevée, sans aucune production de résidus contaminés. Différents essais ont été réalisés en variant principalement la surface active des électrodes, la distance interélectrode, la densité de courant et le pH du milieu. Aussi, la possibilité d’ajouter des électrolytes pour améliorer la conductivité du milieu a été envisagée. Des essais ont été réalisés en utilisant des cellules électrochimiques cylindriques, à électrodes concentriques, et des cellules parallélépipédiques. Le contenu en Cu dans les phases solides et liquides des boues, avant et après traitement, était le principal paramètre suivi. L’électrodéposition du Cu sur les électrodes était aussi calculée. Il s’est avéré que la configuration des électrodes, planes ou cylindriques, n’a pas d’impact majeur sur les rendements du procédé. En effet, tant et autant que les paramètres électriques de cellule optimisés sont maintenus (surface anodique de 39 cm²/cm³, surface cathodique de 168 cm²/cm³, distance interélectrodes de 2 cm), ainsi qu’une certaine turbulence dans le milieu, la configuration importe peu. Toutefois, une efficacité et une efficience légèrement supérieure ont été constatées en utilisant une configuration cylindrique à l’échelle pilote. Différents matériaux d’électrodes ont été utilisés. Les anodes étaient en métal déployé afin d’assurer une meilleure agitation et une certaine turbulence. Différents revêtements déposés sur du titane ont été étudiés (oxyde de ruthénium ou Ti/RuO2, oxyde d’iridium ou Ti/IrO2, et platine ou Ti/Pt). Les cathodes utilisées devaient idéalement être des matériaux conventionnels, non nobles. En effet, le procédé vise non seulement la lixiviation des métaux des boues, mais aussi une décontamination simultanée du lixiviat par électrodéposition. En ce sens, le matériau de cathode devrait pouvoir être remplacé à faible coût lorsque cette dernière sera surchargée de métaux. Des électrodes pleines d’acier roulé à froid (matériau très peu dispendieux), d’acier roulé à chaud (possède une finition moins lisse, donc potentiellement plus propre au placage), d’aluminium (léger et très conducteur, Enlèvement par voie électrochimique des métaux de boues d’épuration biologiques municipales mais son oxyde ne l’est que peu) et de cuivre (plus dispendieux, mais possède le meilleur potentiel de retour à l’industrie) ont été utilisées. Au niveau des paramètres de cellule, le titane recouvert d’oxyde d’iridium a été sélectionné comme matériau d’anode le plus adéquat. De plus, bien que l’acier ait été sélectionné comme matériau de cathode afin d’optimiser le traitement, les travaux ont démontré que le cuivre, quoique plus dispendieux, pourrait aussi être utilisé, particulièrement dans une perspective de valorisation de la cathode (retour à l’industrie) lorsqu’une boue est essentiellement contaminée en cuivre. L’objectif principal de la présente recherche a été atteint : un procédé électrochimique de décontamination de boue d’épuration municipale a été développé. Un traitement électrochimique d’une durée de 6 h exécuté à pH 1,8 s’est avéré efficace pour éliminer Cu de la boue et obtenir une concentration suffisante pour atteindre la norme C2. Une concentration résiduelle de 750 mg Cu/kg BS a en effet été obtenue à l’échelle pilote, à un coût d’environ 30 $/TBS (incluant l’acide sulfurique et l’énergie). Une boue de classe C1 a été obtenue suite à l’application du traitement, soit une concentration résiduelle de (300 ± 80) mg Cu/kg BS, mais à un coût énergétique élevé, soit (1 000 ± 700) $/TBS. Pour atteindre la norme C1, le procédé combiné chimique/électrochimique a donc dû être appliqué en agitant 15 kg H2O2/TBS et 25 kg Fe3+/TBS pendant une période de 2 h avant l’activation du générateur de courant. Une densité de courant de 15 mA/cm2 a été suffisante pour assurer la décontamination. Une concentration résiduelle de (200 ± 100) mg Cu/kg BS a alors été obtenue. Le procédé combiné chimique/électrochimique s’est aussi avéré efficace pour réduire la présence d’organismes pathogènes dans la boue et la concentration de certains polluants organiques. Les coûts de traitement associés à l’application du procédé combiné chimique/électrochimique sont de 17 $/TBS d’acide sulfurique, de 24 $/TBS de H2O2 et 16 $/TBS de FeCl3 lorsqu’utilisés, puis de (30 ± 2) $/TBS d’énergie pour une boue contenant 27,5 g ST/kg. La démonstration à l’échelle pilote a été exécutée avec succès. L’application des paramètres optimaux déterminés à l’échelle de laboratoire a permis d’obtenir une boue de qualité environnementale C1-P1, ce qui démontre la faisabilité de l’échelle pilote. De même, l’applicabilité du procédé en mode continu a été démontrée. La chaîne de traitement est largement simplifiée en comparaison à un procédé de lixiviation chimique puisqu’aucun résidu de procédé n’est produit et que la boue, et l’effluent de procédé, sont de qualité environnementale élevée. De plus, la boue traitée, après neutralisation, présente de meilleures caractéristiques de déshydratabilité (environ 5 points de siccité). Il en résulte une quantité inférieure de boues à gérer et des économies pour la station d’épuration. Finalement, le procédé développé s’est avéré efficace pour éliminer de nombreux éléments indésirables pouvant être présents dans une boue d’épuration municipale, à maintenir la valeur fertilisante de la boue et cela à un coût acceptable dans la conjoncture actuelle. Bien que des recherches systématiques soient requises sur les autres éléments indésirables, les résultats obtenus sont forts prometteurs.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Blais, Jean-François
Co-directeurs de mémoire/thèse: Mercier, Guy; Drogui, Patrick
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: métaux; boues d'épuration; électrochimie; municipales oxydoréduction; lixiviation; décontamination
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 22 nov. 2012 19:50
Dernière modification: 09 nov. 2015 18:38
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/453

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