Dépôt numérique
RECHERCHER

Combinaison des procédés de biofiltration et d’électrocoagulation pour le traitement des lixiviats des sites d’enfouissement sanitaires.

Dia, Oumar (2017). Combinaison des procédés de biofiltration et d’électrocoagulation pour le traitement des lixiviats des sites d’enfouissement sanitaires. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 377 p.

[img]
Prévisualisation
PDF
Télécharger (5MB) | Prévisualisation

Résumé

Une forte croissance démographique et économique constatée ces dernières décennies à travers le monde a entraîné une production importante de différentes sortes de déchets. A l’heure actuelle, l’enfouissement est encore la méthode la plus utilisée pour la gestion des déchets ménagers. Un des inconvénients majeurs liés à l’enfouissement est la production de lixiviats chargés en contaminants organiques, inorganiques et microbiens susceptibles de polluer les eaux souterraines et les eaux de surface s’ils ne sont pas convenablement captés et traités. Vu la complexité de ces lixiviats et les normes environnementales de plus en plus exigeantes, il est difficile de les épurer en utilisant uniquement une seule technologie de traitement. Un couplage de différents procédés de traitement est souvent requis pour traiter de façon efficace les lixiviats et de manière à se conformer aux strictes normes de rejet auxquelles ils sont soumis. Dans cette présente étude, les procédés de biofiltration (BF) et d’électrocoagulation (EC) sont mis en synergie pour un traitement efficace des lixiviats. Toutefois, la combinaison de ces deux procédés suscite de nombreuses incertitudes technologiques qui ne sont pas clairement adressées dans la littérature. L’objectif de cette étude sera alors d’évaluer les performances de chaque procédé et d’étudier son impact sur le procédé subséquent selon sa position dans la filière de traitement. Pour cela, deux scénarios ont été définis : le scénario 1 consiste à positionner la BF avant l’EC tandis que dans le scénario 2 l’EC est placée avant la BF. Les résultats du scénario 1 ont montré que la BF est très efficace en termes d’abattement du NH4 (94% ± 9), de la DBO₅ (94% ± 8), de la turbidité (95% ± 11) et du phosphore (98% ± 16) avec des concentrations initiales respectives de 342 ± 64 mg N/L, 70 ± 38 mg O₂/L, 107 ± 65 NTU, 2,33 ± 1,4 mg P-PO₄/L. Cependant, en raison d’une forte proportion de substances humiques dans le lixiviat, un faible taux d’abattement de la DCO (< 20%) a été enregistré (DCₒ = 765 ± 143 mg O₂/L). Des expériences de fractionnement de la matière organique dissoute (MOD) ont révélé qu’après BF, 53% des composés hydrophiles (Hyl) sont éliminés tandis que les taux d’abattement des acides fulviques (AF) et acides humiques (AH) étaient de 29% et 0% respectivement. Le traitement subséquent d’EC a permis d’enlever 53% de la DCO résiduelle en utilisant une anode en magnésium avec une densité de courant de 10 mA/cm² pendant 30 min. Cependant les performances de l’EC étaient négativement influencées par la présence d’alcalinité et l’utilisation du Mg entrainait une augmentation significative du pH après EC (pH > 10). Par la suite, des anodes plus conventionnelles (Al et Fe) ont été expérimentées. Ces dernières, moins sensibles à l’alcalinité et à la hausse du pH, ont permis d’éliminer 65 à 70% de la DCO réfractaire en imposant des densités de courant variant de 8 à 10 mA/cm² pendant 20 min. Le fractionnement de la MOD a révélé que les AH sont totalement éliminés après EC tandis que les AF et Hyl étaient partiellement éliminés avec des taux d’abattement du COT variant de 57 à 60% et 37 à 46% respectivement. Une réduction électrochimique des nitrates en ammonium a été observée lors de l’EC du lixiviat bio-filtré. Dans l’optique de minimiser la réduction des nitrates en ammonium, différentes cathodes ont été étudiées (Al, Fe, Inox, Cu et Ti/Pt). Parmi elles, le titane platiné est la cathode qui produisait moins d’ammonium (< 3 mg N/L) en raison de sa faible surtension d’hydrogène (- 0,95 V Vs Ag/Cl). La formation de NH₄ peut être aussi minimisée en réduisant la surface de la cathode et la densité de courant. Cependant, la diminution de la surface cathodique et de la densité de courant conduit à une diminution de l’abattement de la DCO. Concernant le scénario 2, les conditions opératoires retenues pour l’EC du lixiviat brut avec une anode en Al sont : i = 8 mA/cm² et t = 20 min. Dans ces conditions opératoires, 37% ± 2 d’abattement de la DCO a été enregistré avec une concentration initiale de 1522 mg O₂/L. Cette DCO est principalement composée de DCO particulaire et la fraction des AH. Pour les autres polluants, l’EC a permis d’atteindre des taux d’abattement satisfaisants notamment pour la turbidité (82% ± 9), la couleur vraie (60% ± 12), le zinc (95% ± 3) et le phosphore total (82% ± 5) avec des concentrations initiales respectives de 178 ± 54 NTU, 1620 ± 420 UCV, 1,46 ± 0,06 mg/L, 4,89 ± 0,36 mg P-PO₄/L. Concernant le traitement subséquent de BF, le processus de nitrification n’a pas été affecté par la faible teneur en phosphore (0,9 ± 0,27 mg P/L) et les concentrations résiduelles d’ions Al³⁺ (1,25 ± 0,76 mg/L) dans le lixiviat électro-coagulé. Une élimination quasi-totale (99%) de l’azote ammoniacal a été obtenue avec une concentration initiale moyenne de 595 ± 50 mg N/L. En revanche, 42% ± 7 d’abattement de la DCO résiduelle a été enregistré. Une étude technico-économique sommaire a permis d’estimer les coûts d’exploitation à 1,84 et 1,58 $CAD par m³ de lixiviat traité pour les scénarios 1 et 2 respectivement. Ces coûts, obtenus avec une utilisation d’anode en Al, prennent en compte l’aération du biofiltre, le renouvellement des anodes, la consommation énergétique, le remplacement du média filtrant et le traitement des résidus métalliques. En dépit des incertitudes technologiques associées à ce couplage (réduction électrochimique des nitrates en ammonium, carence en phosphore, présence de métaux résiduels..), nous avons démonté à travers cette étude qu’il est techniquement possible et économiquement rentable de coupler les procédés de BF et d’EC afin de traiter efficacement les lixiviats et de rencontrer les normes strictes de rejet.

Abstract

A fast economical and demographical growth of the last decades leads to a massive production of all kind of wastes across the globe. Currently, landfilling is still the most common method used to manage household wastes. One of the drawbacks linked to landfilling is the production of landfill leachates carrying several organic, inorganic and microbial pollutants which can contaminate the groundwater and surface water if they are not properly captured and treated. Given the complexity of these effluents and the strict discharge standards, it is very challenging to treat them by using a single treatment technology. A combination of different technologies is often required in order to treat efficiently the landfill leachates and to comply with the strict discharge standards to which they are subjected. In this present study, biofiltration (BF) and electrocoagulation (EC) processes are put into synergy to treat efficiently the landfill leachates. However, this combination has several technological uncertainties which are not fully addressed in the literature. The main purpose of this study was then to evaluate the performance of each process and to study its impact on the other process depending on its position in the treatment line. To do so, two scenarios had been defined: scenario 1 consists to place the BF before EC while in the scenario 2 EC is positioned before the BF. The results from the scenario 1 showed a very good efficiency of BF process for the removal of NH4 (94% ± 9), BOD₅ (94% ± 8), turbidity (95% ± 11), and phosphorus (98% ± 16) with initial concentrations of 342 ± 64 mg N/L, 70 ± 38 mg O₂/L, 107 ± 65 NTU, 2.33 ± 1.4 mg P-PO₄/L respectively. However, due to the high proportion of humic substances in the landfill leachate, a low COD removal was recorded (< 20%) (CODo = 765 ± 143 mg O₂/L). Experiments from the fractionation of dissolved organic matter (DOM) had revealed that after BF, 53% of hydrophilic compounds (Hyl) was removed while the removal rate of fulvic acids (FA) and humic acids (HA) was 29% and 0% respectively. The subsequent EC treatment had allowed removing 53% of the residual COD by using a magnesium based-anode and applying a current density of 10 mA/cm2 for 30 min. However, the efficiency of EC treatment was negatively impacted by the presence of alkalinity and the use of Mg caused a significant increase of the pH after EC (pH > 10). Later on, more convention anodes (Al and Fe) had been experimented. These anodes were less sensitive to the presence of alkalinity and induced less increase in pH. They allowed reducing the residual refractory COD by 65-70% by imposing a current densities ranging from 8 to 10 mA/cm². The fractionation of DOM showed a complete elimination of HA fraction after EC. Regarding to FA and Hyl fractions, their removal rate in terms of TOC were varying from 57% to 60% and 37% to 46% respectively. A phenomenon of electrochemical reduction of nitrate into ammonia had been noticed during the EC of bio-filtrated landfill leachate. To tackle this issue, different cathodes materials had been experimented (Al, Fe, Stainless steel, Cu and Ti/Pt) in order to limit the ammonia formation. Among these cathodes, the platinized titanium produced less amount of ammonia (< 3 mg N/L) because of its low hydrogen overpotential (- 0.95 V Vs Ag/Cl). The NH4 formation can also be minimized by reducing both the cathodic surface area and the cathodic current density but COD removal was negatively impacted. Regarding the scenario 2, the chosen operating conditions for the EC of raw landfill leachate were: i = 8 mA/cm² and t = 20 min. Under these conditions, 37% ± 2 removal of COD was recorded with an initial concentration of 1522 mg O₂/L. This removed COD was mainly attributed to the insoluble COD and the HA fraction. Concerning the other pollutants, the EC process showed satisfactory results in terms of turbidity removal (82% ± 9), true color (60% ± 12), zinc (95% ± 3), and phosphorus (82% ± 5) with initial concentrations of 178 ± 54 NTU, 1620 ± 420 TCU, 1.46 ± 0.06 mg/L, 4,89 ± 0.36 mg P-PO₄/L respectively. Despite the low phosphorus concentration (0.9 ± 0.27 mg P/L) and the significant amount of residual Al³⁺ (1.25 ± 0,76 mg/L) in the electro-coagulated landfill leachate, the subsequent BF treatment had allowed to remove over 99% of ammonia with an average initial concentration of 595 ± 50 mg N/L. However, 42% ± 7 of COD removal was recorded after the BF treatment. The operating costs of the process had been estimated after a summary economical study. By considering Al as sacrificial anode, the operating costs were evaluated at 1.84 and 1.58 $CAD per m³ of treated landfill leachate for the scenarios 1 and 2 respectively. These costs take account the aeration of the biofilter, the renewal of the anode material and bio-filter media, the energy consumption and the EC sludge treatment. Despite the technological uncertainties linked to this coupling, it had been shown through this study that it is technically feasible and economically viable to combine BF and EC processes in order to treat efficiently the landfill leachate and comply with the strict discharge standards.

Type de document: Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Drogui, Patrick
Co-directeurs de mémoire/thèse: Buelna, Gerardo
Mots-clés libres: lixiviats; décharges; traitement; électrocoagulation; biofiltration; enfouissement sanitaire; électrotechnologies; électro-oxydation; électro-Fenton
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 27 nov. 2017 21:22
Dernière modification: 27 nov. 2017 21:22
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/6510

Actions (Identification requise)

Modifier la notice Modifier la notice