Traitement et réutilisation des eaux usées de buanderies commerciales en appliquant des procédés membranaire, d'adsorption et électrochimique

Khajvand, Mahdieh (2024). Traitement et réutilisation des eaux usées de buanderies commerciales en appliquant des procédés membranaire, d'adsorption et électrochimique Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 381 p.

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Résumé

Les eaux usées des buanderies (EUB) constituent l'une des principales sources de contamination de l’environnement par les nonylphénol éthoxylates (NPEO). La dégradation du NPEO conduit à la formation de sous-produits tels que le nonylphénol (NP), composé reconnu plus persistant que le NPEO. Le NP est un perturbateur endocrinien, c’est à dire une substance qui est à l’origine des perturbations de la faune aquatique (impacts sur la reproduction et la biodiversité) et constitue de plus, même à faibles doses, un risque pour la santé humaine. Cette étude explore la dégradation simultanée du NPEO et de la demande chimique en oxygène (DCO) dans les eaux usées industrielles issues des buanderies en utilisant deux systèmes hybrides distincts. Ces systèmes comprennent l'ultrafiltration (UF) utilisé comme prétraitement, suivi soit de l'adsorption (ADS) sur charbon actif modifié ou du traitement par électro-oxydation (EO). L'objectif principal de cette recherche est d'améliorer la qualité des eaux usées traitées pour répondre aux normes adaptées à la réutilisation des eaux usées des buanderies (EUB) dans les premiers cycles du lavage du linge. Les concentrations résiduelles requises pour une réutilisation des EUB sont respectivement de NPEO <200 µg.L-1 et DCO <100 mg.L-1. La première partie des travaux s'est concentrée sur l'amélioration de la capacité d'adsorption du charbon activé (CA) pour l'élimination du NPEO. Les objectifs incluent la préparation et la caractérisation du charbon activé fonctionnalisé, ainsi que la comparaison de l'efficacité d'adsorption entre le charbon activé fonctionnalisé et non fonctionnalisé. Une série de tests visant la fonctionnalisation du charbon actif a été effectuée : i) un traitement acide avec 10 % de HCl à 75 °C; ii) un traitement thermique à 900 ˚C sous flux de N2 et une oxydation dans 10 % de HNO3 à 75 °C. Les essais d'adsorption en mode cuvée (batch) ont montré que la meilleure efficacité d'élimination a été obtenue avec du charbon activé traité thermiquement à 900 °C sous flux de N2 (PHT). Les résultats ont montré que le traitement thermique a conduit à une augmentation de 21 % l’enlèvement du NPEO3-17 et de 16 % l’enlèvement de la DCO, comparativement au charbon actif non modifié. De plus, la capacité d'adsorption du NPEO3-17 a été améliorée de 35 % grâce au traitement thermique. Par ailleurs, les échantillons de charbon activé modifié et non modifié ont été caractérisés en termes de propriétés structurales, morphologiques et chimiques. Les résultats ont montré que le traitement thermique du charbon actif sous flux de N2 a conduit à l'élimination de groupements fonctionnels de surface, en particulier les groupes oxygénés. Par conséquent, le caractère hydrophile du charbon a été réduit. Ces observations sont en accord avec le fait qu’en dessous de la concentration critique micellaire, les surfactants éthoxylés s'adsorbent en tant que monomères par leur partie hydrophobe sur une surface hydrophobe du charbon activé. Dans la deuxième partie des travaux, le charbon actif modifié a été installé dans une colonne d’adsorption fonctionnant en mode d’opération dynamique pour l'élimination simultanée du NPEO et DCO des eaux réelles de buanderies. Les eaux de buanderies ont été préalablement ultrafiltrées (UF) et soumises au traitement subséquent par ADS (couplage UF-ADS). L'utilisation de l'ultrafiltration (UF) comme prétraitement a permis d'éliminer les solides et les colloïdes avant l'adsorption. L'UF a conduit à une réduction des matières en suspension (MES) de 14 ± 2 à 3.0 ± 1.3 mg.L-1 et de la turbidité de 110 ± 1.4 à 1.8 ± 0.9 UNT. De plus, la concentration de NPEO et de DCO a diminué de 1095 ± 50 µg.L-1 et 585 ± 14 mg.L-1 dans les eaux usées de buanderie enrichies à 533 ± 78 µg.L-1 et 281 ± 9 mg.L-1 dans le perméat, respectivement. Le perméat de l’UF a ensuite été traité par adsorption dynamique. Le processus a été conçu et optimisé en tenant compte de paramètres tels que le temps de rétention hydraulique (TRH), le rapport hauteur/diamètre (H/D) de la colonne, et la température de l’eau alimentant la colonne d’adsorption. L'utilisation d'un TRH de 9,6 min, d’une température de l’eau alimentant la colonne de 20 °C et d'un ratio H/D de 6,9 a permis d’enregistrer des taux d’enlèvement du NPEO3-17 allant jusqu'à 99 %. Dans ces conditions, 82 % de la DCO a été simultanément éliminée. Par la suite, les performances épuratoires de la colonne de filtration-ADS (comprenant le charbon actif modifié) ont été étudiées pendant un temps de fonctionnement d’environ sept jours (soit 178 h) permettant ainsi de traiter 100 L d’EUB. Les concentrations résiduelles mesurées au cours du temps ont été en dessous de la limite de la concentration requise de NPEO (< 200 µg.L-1) pour une réutilisation des eaux dans les premiers cycles du lavage du linge. En ce qui concerne la DCO, les concentrations résiduelles mesurées ont été en dessous de la limite de la concentration requise (DCO <100 mg.L-1) jusqu’à ce que un volume total de 34 L soit recueilli (soit à 63 h ou 2,6 jours). La régénération du charbon activé modifié est nécessaire par la suite pour lui redonner sa capacité d’adsorption initiale. La troisième partie des travaux a consisté à concevoir et à optimiser le procédé d'électrooxydation (EO) en tant que post-traitement des EUB (ultrafiltration suivie de l’électro-oxydation, configuration UF-EO). Divers facteurs tels que la concentration de Na2SO4, la densité de courant, le temps d'électrolyse et le type de cathode ont été étudiés à l'aide de la méthodologie de plan factoriel pour évaluer leurs impacts sur la dégradation de la DCO, la consommation d'énergie et les coûts d’opération. Les résultats ont indiqué que le temps d'électrolyse présente l'impact le plus significatif, avec une influence de 77,4 % sur la dégradation du DCO. Les conditions optimales du processus ont été déterminées, indiquant qu'en utilisant une cathode en graphite, en appliquant une densité de courant de 15 mA·cm-2 avec 4 g·L-1 de Na2SO4, et en mettant en œuvre un temps de traitement de 120 min, les coûts d’opération pourraient être 3,65 USD·m-3 tout en garantissant que l'eau traitée réponde aux normes de réutilisation. L'étude a également exploré les effets de la concentration initiale de NPEO et du pH dans des conditions optimales. Les résultats ont montré que le maintien de la concentration initiale de NPEO inférieure à 600 µg.L-1 est essentiel pour se conformer aux normes de rejets et de réutilisation des effluents. L'efficacité d'élimination dans un environnement acide a surpassé celle dans un environnement alcalin, avec une efficacité d'élimination de la DCO presque 10 % plus élevée à un pH de 3 par rapport à un pH de 11. Les résultats ont également démontré que le NP (sous-produit d’oxydation du NPEO) est successivement dégradé pendant l’application du procédé EO, atteignant une dégradation de 94 % après 2 h de traitement. Les objectifs atteints tout au long de cette étude fournissent les bases d'une approche optimisée pour le traitement des eaux usées industrielles de buanderies. Ces procédés constituent des approches prometteuses pour la réutilisation potentielle des EUB. Cependant, des recherches supplémentaires sont essentielles pour améliorer la rentabilité globale du procédé.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Drogui, Patrick
Mots-clés libres:	adsorption ; charbon activé modifié ; conception expérimentale ; décontamination de l'eau ; dégradation, eaux usées de buanderies ; électro-oxydation ; fonctionnalisation de surface ; nonylphénols éthoxylates ; ultrfiltration ; réutilisation
Centre:	Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt:	12 nov. 2024 20:01
Dernière modification:	12 nov. 2024 20:07
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/16041

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