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Rapport-de-stage-Optimisation-STEP-LC-1

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UNIVERSITE HASSAN II MOHAMMEDIA-CASABLANCA
FACULTE DES SCIENCES ET TECHNIQUES MOHAMMEDIA
DEPARTEMENT GENIE DES PROCEDES ET dE l’ENVIRONNEMENT
Spécialité : Génie de l'Eau et de l'Environnement
Optimisation de la station d’épuration de
Lesieur Cristal- Aïn Harrouda
Réalisé par :
LAABOULI Amine
TALHA Jihane
Encadré par :
M. D. TSOULI (Lesieur Cristal)
Pr. S. SOUABI (FSTM)
1
Année universitaire : 2015/2016
REMERCIEMENT
Tout d'abord, Nous adressons nos remerciements à notre professeur, Mr SOUABI Salah qui
nous a beaucoup aidé dans la recherche de stage et nous a permis de postuler dans cette
entreprise. Son écoute et ses conseils nous ont permis de cibler nos candidatures, et de trouver
ce stage qui était en totale adéquation avec nos attentes. L’intérêt qu’il a manifesté pour ce
travail, ses conseils, sa patience et sa disponibilité n’ont jamais cessé durant ces mois. Nous
tenons ici à lui exprimer notre profonde gratitude et toute notre sympathie.
Nous tenons à remercier vivement notre maitre de stage, Mr TSOULI Driss, responsable de
la station d’épuration au sein de Lesieur Cristal-Ain Harrouda, pour son accueil, le temps
passé ensemble et le partage de son expertise au quotidien. Grâce aussi à sa confiance nous
avons pu nous accomplir totalement dans nos missions. Il fut d'une aide précieuse dans les
moments les plus délicats.
Nous remercions également toute l'équipe de la station d’épuration pour leur accueil et leur
esprit d'équipe.
Enfin, nous tenons à remercier toutes les personnes qui nous ont conseillé et relu lors de la
rédaction de ce rapport de stage : Mr Taleb Abdeslam et Mr CHATOUI Mohammed.
2
Résumé
Dans le but de cerner les problèmes des rejets liquides de la société Lesieur Cristal à Ain
harrouda et de développer des solutions curatives de leur traitement, une étude d’optimisation
des différentes filières de traitements des eaux usées a été menée au sein de la station
d’épuration des eaux usées Lesieur cristal.
En effet, avec un effluent d’entrée n’atteignant pas les charges nominales, des
dysfonctionnements interdépendants des filières de traitements des eaux usées ont été
remarqués, notamment au niveau des ouvrages de prétraitement (bassin de collecte et le
déshuileur), Au niveau du traitement physico-chimique par une absence d’optimisation de
l’utilisation de la matière auxiliaire et enfin au niveau du bassin biologique qui se manifeste
en le phénomène de moussage et absence du processus de dénitrification.
A terme de notre étude, des améliorations ont été proposées pour remédier aux différents
dysfonctionnements soulevés.
Il faudra en revanche plus de temps pour adapter ces améliorations et résoudre complètement
certaines problématiques surtout l’inefficacité du traitement physico-chimique. Pour une
maitrise optimale des différentes et interdépendantes composantes de l’installation, un suivi et
des tests de vérification et de simulation plus poussées doivent donc être envisagés.
En conclusion, les solutions proposées sur base de calculs théoriques et d’essais
expérimentaux démontrent qu’elles sont faciles à intégrer au processus et économiquement
acceptables.
3
Table des matières
REMERCIEMENT .................................................................................................................... 2
Résumé ....................................................................................................................................... 3
Liste des abréviations ............................................................................................................... 11
Liste des Tableaux .................................................................................................................... 13
Listes des Figures ..................................................................................................................... 15
Introduction général ................................................................................................................. 20
PARTIE I: Présentation de l’organisme d’accueil ................................................................... 22
I.
Présentation général de la société Lesieur cristal : .................................................... 23
1.
Présentation de l’entreprise : .................................................................................. 23
2.
Fiche signalétique : ................................................................................................ 24
3.
L’historique de Lesieur cristal : ............................................................................. 24
4.
Organigramme de l’entreprise : ............................................................................. 26
5.
Marque et produit :................................................................................................. 26
6.
Sites de production :............................................................................................... 28
II.
Présentation du processus de production de Lesieur cristal ...................................... 29
1.
Processus de trituration des graines ....................................................................... 29
2.
Processus du raffinage des huiles brutes ................................................................ 29
3.
Conditionnement et fabrication d’emballage d’huile de table ............................... 31
4.
Activité de cassage de pate : .................................................................................. 31
5.
Activité de savonnerie............................................................................................ 32
PARTIE II: Généralité sur la station de traitement des eaux usées type boue activé .............. 34
Introduction .............................................................................................................................. 35
Chapitre 1 : Généralité sur les eaux usées des huileries ........................................................... 36
I.
Définition des eaux usées : ........................................................................................ 36
II.
Classification des eaux usées :................................................................................... 36
4
1.
Les eaux domestiques : .......................................................................................... 36
2.
Les eaux industrielles et artisanales : ..................................................................... 37
III.
Caractérisation des eaux usées des huileries : ........................................................... 37
1.
Caractérisation physico-chimique :........................................................................ 37
2.
Caractéristiques microbiologiques : ....................................................................... 38
IV.
Les normes de rejets des eaux usées des huileries : .................................................. 38
V.
Impacts environnementaux des rejets des huileries :................................................. 39
VI.
Nécessité de traitement : ............................................................................................ 41
Chapitre 2 : présentation du fonctionnement de la station de traitement des eaux usées type
boue activé................................................................................................................................ 42
I.
Principe de l’épuration des eaux usées part boue activé : ......................................... 42
II.
Les composantes d’une station de traitement des eaux usée à boue activé : ............. 43
1.
Filière eau : ............................................................................................................ 43
2.
Filière boue : .......................................................................................................... 54
3.
Filière Gaz :............................................................................................................ 59
4.
Avantage et inconvénient du traitement par boue activé : ..................................... 62
5.
Les différents types de dysfonctionnement d’une STEP à boue activé ................ 63
6.
Méthodes de lutte contre le dysfonctionnement de la station d’épuration :........... 67
7.
Conclusion ............................................................................................................. 69
PARTIE III : Description et diagnostic de la station de traitement des eaux usées de LESIEUR
CRISTAL ................................................................................................................................. 70
Introduction .............................................................................................................................. 71
Chapitre 1 : Présentation de la station de traitement des eaux usée de Lesieur cristal ............ 72
I.
Situation géographique : ............................................................................................ 72
II.
Historique de la STEP ............................................................................................... 73
III.
Objectif de la STEP ................................................................................................... 73
1.
Objectif environnemental....................................................................................... 73
2.
Gestion des ressources en eau ................................................................................ 74
Chapitre 2 : Présentation des principaux rejets de Lesieur cristal ............................................ 75
5
I.
Nature des effluents entrant à la STEP ...................................................................... 75
1.
Les eaux usées de l’activité cassage de Pâte : ........................................................ 75
2.
Les eaux de Process : ............................................................................................. 75
Détermination des débits des différents rejets liquides de l’usine : .......................... 75
II.
Chapitre 3 : les composantes de la station de traitement des eaux usées de Lesieur Cristal .... 77
I.
Filière eau : ................................................................................................................ 78
1.
Le prétraitement : ................................................................................................... 78
2.
Traitement primaire................................................................................................ 81
3.
Le traitement secondaire : ...................................................................................... 83
II.
Filière boues : ............................................................................................................ 85
III.
La comparaison de la STEP LC par rapport à la bibliographie ................................. 85
Conclusion ................................................................................................................................ 86
PARTIE IV : Échantillonnage, analyse et suivi de la qualité physico-chimique des eaux usées
de Lesieur cristal ...................................................................................................................... 87
Introduction .............................................................................................................................. 88
Chapitre 1 : Échantillonnage et analyse des eaux usées de Lesieur cristal .............................. 89
I.
Échantillonnage : ....................................................................................................... 89
1.
Prélèvement de l’eau à analyser : ........................................................................... 89
2.
Conservation et transport des échantillons ............................................................ 89
II.
Analyses physico-chimiques : ................................................................................... 89
III.
Caractérisation physico-chimique des rejets : ........................................................... 92
Chapitre 2 : Suivi de la qualité physico-chimique des eaux usées de Lesieur cristal .............. 94
I.
Suivi de la pollution moyenne journalière des ateliers de production (savonnerie,
cassage de pâtes, raffinage) .................................................................................................. 94
1.
pH :......................................................................................................................... 94
1.
Les matières en suspension (MES) : ...................................................................... 95
2.
La matière grasse (MG) : ....................................................................................... 96
3.
La demande chimique en oxygène (DCO) :........................................................... 96
II.
Suivi de la pollution moyenne journalière au niveau des points de contrôle à la
station d’épuration : .............................................................................................................. 97
6
1.
pH :......................................................................................................................... 97
2.
Les matières en suspension (MES) : ...................................................................... 98
3.
La matière grasse (MG): ........................................................................................ 99
4.
La demande chimique en oxygène (DCO) :........................................................... 99
Conclusion :............................................................................................................................ 100
PARTIE V: Optimisation du fonctionnement des ouvrages de prétraitement de la station
d’épuration de Lesieur cristal ................................................................................................. 101
Chapitre 1 : Bassin de collecte des eaux usées de la station d’épuration Lesieur cristal ....... 103
I.
Diagnostic des bassins de collecte : ......................................................................... 104
II.
Solution proposée : .................................................................................................. 104
Chapitre 2 : Le déshuileur de la station d’épuration Lesieur cristal ....................................... 105
I.
Diagnostic du déshuileur : ....................................................................................... 105
II.
Solution proposée : .................................................................................................. 105
PARTIE VI : Optimisation du traitement physico-chimique des eaux usées de Lesieur cristal
en utilisant la méthodologie des surfaces de réponse ............................................................. 106
Introduction ............................................................................................................................ 107
Chapitre 1: Les plans d’expériences ....................................................................................... 108
I.
Aperçu historique : .................................................................................................. 108
II.
Principe : .................................................................................................................. 108
III.
Étude des effets des facteurs :.................................................................................. 110
1.
Plans factoriels complets : ................................................................................... 110
2.
Plans factoriels fractionnaires : ............................................................................ 112
IV.
Méthodologie des surfaces de réponses : ................................................................ 113
2.
Définition du modèle: .......................................................................................... 114
3.
Plan composite centré : ........................................................................................ 115
V.
Analyse statistique des résultats : ............................................................................ 116
1.
Qualité descriptive : ............................................................................................. 116
2.
Analyse de la variance : ....................................................................................... 118
7
Chapitre 2 : Plan d’expérience appliqué au traitement des rejets de la société Lesieur cristal
« Partie expérimentale » ......................................................................................................... 119
I.
Procédures expérimentales : .................................................................................... 119
II.
Étude préliminaire : ................................................................................................. 120
1.
Détermination de la concentration optimale du coagulant: ................................. 120
2.
Détermination de la concentration optimale du floculant: ................................... 124
3.
Détermination du domaine de pH: ....................................................................... 127
III.
Planification des expériences : ................................................................................ 130
1.
Stratégie expérimentale : ...................................................................................... 130
2.
Plan d’étude des effets : ....................................................................................... 133
3.
Estimation des réponses optimales à partir des observations : ............................ 137
4.
Conclusion : ......................................................................................................... 139
IV.
Modélisation en surfaces de réponse : ..................................................................... 139
1.
Analyse statistique des résultats :......................................................................... 141
2.
Analyse graphique des résultats : ......................................................................... 143
Conclusion :............................................................................................................................ 149
PARTIE VII : Comparaison du coût de traitement général de l’effluent de Lesieur cristal et le
coût du traitement des effluents séparés (Lessive + effluent sans lessive) ............................ 150
Introduction ............................................................................................................................ 151
Chapitre 1 : Le coût du traitement de l’effluent général ........................................................ 152
I.
Présentation de l’effluent : ....................................................................................... 152
II.
Acidification à pH=1,5 : .......................................................................................... 152
1.
Détermination de la quantité d’acide sulfurique nécessaire pour l’acidification: 152
2.
Consommation de l’acide sulfurique : ................................................................. 153
3.
Coût de l’acide sulfurique : .................................................................................. 153
III.
Augmentation du pH à 6 :........................................................................................ 153
1.
Détermination de la quantité de soude nécessaire pour augmenter le pH à 6:..... 154
2.
Consommation de NaOH: .................................................................................... 154
3.
Coût de la soude : ................................................................................................. 154
8
IV.
Traitement Physico-chimique : ................................................................................ 155
1.
Consommation en coagulant : .............................................................................. 155
2.
Coût du coagulant : .............................................................................................. 155
3.
Consommation en floculant : ............................................................................... 156
4.
Coût floculant : .................................................................................................... 156
Coût global du traitement de l’effluent de Lesieur cristal : ..................................... 156
V.
Chapitre 2 : Le coût du traitement du rejet de la savonnerie .................................................. 157
I.
Présentation de l’effluent : ....................................................................................... 157
II.
Acidification à pH=1,5 : .......................................................................................... 157
1.
Détermination de la quantité d’acide sulfurique nécessaire pour l’acidification: 157
2.
Consommation de l’acide sulfurique : ................................................................. 159
3.
Coût de l’acide sulfurique : .................................................................................. 159
III.
Augmentation du pH à 6 :........................................................................................ 160
1.
Détermination de la quantité de soude nécessaire pour augmenter le pH à 6 :.... 160
2.
Consommation de NaOH: .................................................................................... 160
3.
Coût de la soude : ................................................................................................. 161
IV.
Traitement Physico-chimique : ................................................................................ 161
1.
Consommation en coagulant : .............................................................................. 161
2.
Coût du coagulant : .............................................................................................. 162
3.
Consommation en floculant : ............................................................................... 162
4.
Coût floculant : .................................................................................................... 162
V.
Coût global du traitement du rejet de la savonnerie : .............................................. 162
Chapitre 3 : Le coût du traitement de l’effluent général sans lessive..................................... 163
I.
Présentation de l’effluent : ....................................................................................... 163
II.
Acidification à pH=1,5 : .......................................................................................... 163
1.
Détermination de la quantité d’acide sulfurique nécessaire pour l’acidification: 163
2.
Consommation de l’acide sulfurique : ................................................................. 164
3.
Coût de l’acide sulfurique : .................................................................................. 164
III.
Augmentation du pH à 6 :........................................................................................ 164
9
1.
Détermination de la quantité de soude nécessaire pour augmenter le pH à 6:..... 164
2.
Consommation de NaOH: .................................................................................... 165
3.
Coût de la soude : ................................................................................................. 165
IV.
Traitement Physico-chimique : ................................................................................ 166
1.
Consommation en coagulant : .............................................................................. 166
2.
Coût du coagulant : .............................................................................................. 166
3.
Consommation en floculant : ............................................................................... 167
4.
Coût floculant : .................................................................................................... 167
Coût global du traitement de l’effluent général, sans lessive, de Lesieur cristal: ... 167
V.
Conclusion .............................................................................................................................. 168
PARTIE VII : Suivi de l’efficacité du traitement biologique de la station d’épuration de
Lesieur cristal ......................................................................................................................... 169
Introduction ............................................................................................................................ 170
I.
Échantillonnage et suivi de l’efficacité du traitement secondaire ........................... 171
II.
Le suivi de l’efficacité du traitement biologique: .................................................... 172
1.
Suivi de l’azote total Kjeldahl (NTK) .................................................................. 173
2.
Suivi de l’azote ammoniacal (NH4+) ................................................................... 174
3.
Suivi de nitrite (NO2-) .......................................................................................... 175
4.
Suivi de nitrate (NO3-) ......................................................................................... 176
III.
Présentation des solutions techniques : « Élimination de la pollution azotée » ...... 176
Conclusion :............................................................................................................................ 178
Conclusion général ................................................................................................................. 179
10
Liste des abréviations
LC
: Lesieur cristal
PET
: polyéthylène téréphtalique
RNI
: L’usine de Roches Noires I
RNII
: L’usine de Roches Noires II
AH
: L’usine d’Ain Harrouda
STEP
: Station d’épuration des eaux usées
MF
: Microfiltration
UF
: Ultrafiltration
NF
: Nanofiltration
OS
: Osmose inverse
CAP
: Charbon actif en poudre
CAG
: Charbon actif en grain
MS
: Matière Sèche
CO2
: Dioxyde de carbone
CH4
: Méthane
SO2
: Soufre
H2SO4 : Acide sulfurique
FeCl3
: Chlorure ferrique
T
: Température
pH
: potentiel hydrogène
MES
: Matière en suspension
MG
: Matière grasse
DCO
: Demande chimique en oxygène
DBO5
: Demande Biologique en Oxygène en 5 jours
PT
: Phosphore total
NTK
: Azote total de kjeldahl
NH+4
: Azote ammoniacal
NO2-
: Nitrites
NO3-
: Nitrates
11
RSM
: Méthodologie des surfaces de réponses
ANOVA : Analyse de la variance
MAX
: Maximum
MIN
: Minimum
SCT
: Somme des carrés totale
SCM
: Somme des carrés mesurés
SCE
: Somme des carrés estimés
COAG
: Coagulant
FLOC
: Floculant
SBR
: Réacteur à batch séquentiel
12
Liste des Tableaux
Tableau 1 : Valeurs limites des paramètres de rejets des effluents liquides des huileries : Secrétariat
d’état du ministère de l’énergie des mines de l’eau et de l’environnement, département d’eau, 2009
Tableau 2 : Avantages et inconvénients de la technique de traitement par les boues activées
Tableau 3 : Valeur limite des rejets liquides
Tableau 4 : les rejets liquide de raffinage
Tableau 5 : les rejets liquide de savonnerie
Tableau 6 : Caractérisation des rejets de Lesieur cristal
Tableau 7: Matrice d’expérience pour un plan factoriel complet à deux facteurs
Tableau 8: Matrice d’expérience pour un plan factoriel fractionnaire à trois facteurs
Tableau 9: ANOVA : analyse de régression
Tableau 10: Caractéristiques de l’effluent principal à l’entrée de la station de Lesieur cristal
Tableau 11: La réponse en DCO, turbidité, volume des boues pour différentes valeurs de
concentration en coagulant
Tableau 12: la réponse en DCO, turbidité, volume des boues pour différentes valeurs de concentration
en floculant, concentration en coagulant = 1,6 g/l
Tableau 13: la réponse en DCO, turbidité, volume des boues pour différentes valeurs de pH,
concentration en coagulant = 1,6 g/l, concentration en floculant = 1 g/l
Tableau 14: valeurs optimales en Coagulant, en floculant et en pH
Tableau 15: Facteurs et niveaux correspondants dans le domaine expérimental
Tableau 16: Matrice d’expériences
Tableau 17: Effets des facteurs et des interactions sur les réponses pour le plan d’étude des effets
Tableau 18: ANOVA : analyse de régression (Réponse DCO)
Tableau 19: ANOVA : analyse de régression (Réponse Turbidité)
Tableau 20: Valeurs optimales des variables opératoires
Tableau 22: Résultat de l'acidification de l'effluent à l'entrée de la station à pH=1,5
Tableau 23: Volume d'acide sulfurique nécessaire pour acidifier l'effluent à PH=1,5
13
Tableau 24: Coût mensuel de traitement des eaux usées de Lesieur cristal
Tableau 25: Résultat de l'acidification de l'effluent à l'entrée de la station à pH=1,5
Tableau 26: Résultat de neutralisation du rejet de la savonnerie, pH =6
Tableau 27: Coût mensuel de traitement du rejet de la savonnerie de Lesieur cristal
Tableau 28: Résultat de l'acidification de l'effluent à l'entrée de la station à pH=1,5
Tableau 29:Résultat de l'acidification de l'effluent général sans lessive à pH=1,5
Tableau 210: Coût mensuel de traitement des eaux usées de Lesieur cristal
Tableau 11: bilan général des coûts de la matière auxiliaire consommée pour chaque cas de traitement
Tableau 31 : Résultats des analyses du traitement biologique
14
Listes des Figures
Figure 1: Organigramme de Lesieur cristal
Figure 2: rejets des effluents des huileries dans le milieu récepteur
Figure 3 : rejets des huileries dans le milieu naturel
Figure 4: Dégrillage grossier
Figure 5: Dégrillage fin
Figure 6 : Schéma d’un dessableur
Figure 7: schéma d’un dégraisseur
Figure 8: bassin de décantation primaire
Figure 9 : Schéma de principe d'un procédé d'épuration à boues activées
Figure 10: Différentes substances éliminées par chaque technique membranaire
Figure 11: Les filtres à sables utilisés dans le traitement tertiaire.
Figure 12 : réacteur ouvert pour la désinfection des eaux usées par les rayons ultraviolets
Figure 13: épaississeur des boues
Figure 14: la déshydratation par filtration sous pression
Figure 15: lit de séchage des boues
Figure 16: digesteur pour la stabilisation de la matière organique
Figure 17: Désulfurisation du biogaz
Figure 18 : gazomètre
Figure 19: torchère de la STEP
Figure 20: Le cogénérateur
Figure 21: a) floc à l'état "normal" b) floc lors d'un phénomène de bulking
Figure 22 : a) Phénomène de bulking . b) Cas extrême de sortie de boue hors des bassins
Figure 23: Mousse blanche de démarrage en surface de bassin d’aération.
Figure 24: Mousse blanche de détergents en surface de bassin d’aération
15
Figure 25: Flottants de dénitrification en surface du clarificateur
Figure 26: Mousse biologique en surface de bassin d’aération
Figure 27 : situation géographique de la STEP de Lesieur cristal
Figure 28 : schéma de la station de traitement des eaux usée
Figure 29 : Dégraisseur de cassage de pate
Figure 30 : Bassin de collecte
Figure 31 : Dégraisseur
Figure 32 : Déshuileur
Figure 33 : Bassin tampon
Figure 34 : Unité de flottation
Figure 35 : Unité de coagulation floculation
Figure 36: Bassin biologique
Figure 37 : Clarificateur
Figure 38 : Presse à boue
Figure 39 : Rejets de Lesieur cristal
Figure 40: Courbes de variation du pH des effluents en fonction du temps
Figure 41 : Courbes de variation des MES des effluents en fonction du temps
Figure 42 : Courbes de variation de la MG des effluents en fonction du temps
Figure 43 : Courbes de variation des MES des effluents en fonction du temps
Figure 44: Courbes de variation du pH des différents points de contrôle en fonction du temps
Figure 45: Courbes de variation de la MES des différents points de contrôle en fonction du temps
Figure 46: Courbes de variation de la MG des différents points de contrôle en fonction du temps
Figure 47: Courbes de variation de la DCO des différents points de contrôle en fonction du temps
Figure 48 : Dégraisseur cassage de pate
Figure 49 : Bassin de collecte
Figure 50 : Évolution de graisses accumulées dans le bassin de collecte
Figure 51: Disposition des points expérimentaux dans le domaine expérimental
16
Figure 52: La réponse en DCO (g O2/l) pour différentes concentration du coagulant (g/l)
Figure 53: L'abattement de la DCO (%) pour différentes concentration du coagulant (g/l)
Figure 54: La réponse en Turbidité (NTU) pour différentes concentration du coagulant (g/l), pH=6,5
Figure55: L'abattement de la Turbidité (%) pour différentes concentration du coagulant (g/l), pH=6,5
Figure 56: Le volume de boues décanté pour différentes concentration en coagulant, pH=6,5
Figure 57: La réponse en DCO (g O2/l) pour différentes concentration du coagulant (g/l)
Figure 58: L'abattement de la DCO (%) pour différentes concentration du coagulant (g/l)
Figure 59: La réponse en turbidité (NTU) pour différentes concentration du floculant (g/l)
Figure 60: L'abattement de la turbidité (%) pour différentes concentration du floculant (g/l)
Figure 61: Le volume de boues décanté pour différentes concentration en floculant, concentration en
coagulant 1,6 g/l
Figure 62: La réponse en DCO pour différentes valeurs du pH, concentration en coagulant = 1,6 g/l,
concentration floculant = 1 g/l
Figure 63: L'abattement de la DCO (%) pour différentes valeurs du pH, concentration en coagulant =
1,6 g/l, concentration floculant = 1 g/l
Figure 64: La réponse en turbidité pour différentes valeurs du pH, concentration en coagulant = 1,6
g/l, concentration floculant = 1 g/l
Figure 65: L'abattement de la turbidité (%) pour différentes valeurs du pH, concentration en coagulant
= 1,6 g/l, concentration floculant = 1 g/l
Figure 66: Effets propres des facteurs opératoires sur la réponse du système DCO
Figure 67: Effets propres des facteurs opératoires sur la réponse du système Turbidité
Figure 68 : Effet principal de la concentration en coagulant sur la réponse du système D.C.O
Figure 69 : Effet principal de la concentration en coagulant sur la réponse du système Turbidité
Figure 70: Effet principal de la concentration en floculant sur la réponse du système: D.C.O
Figure 71: Effet principal de la concentration en floculant sur la réponse du système: Turbidité
Figure 72: Effet principal du PH sur la réponse du système: D.C.O
17
Figure 73 : Effet principal du PH sur la réponse du système: Turbidité
Figure 74: Courbe d'iso-réponse de la DCO en fonction de la dose du coagulant X1 et la dose du
floculant X2
Figure 75: Courbe d'iso-réponse de la DCO en fonction de la dose du coagulant X1 et le pH X3
Figure 76: Courbe d'iso-réponse de la turbidité en fonction de la dose du coagulant X1 et la dose du
floculant X2
Figure77: Courbe d'iso-réponse de la turbidité en fonction de la dose du coagulant X1 et le pH X3
Figure 78: Test graphique d’adéquation du modèle (Réponse abattement DCO)
Figure 79: Test graphique d’adéquation du modèle (Réponse abattement Turbidité
Figure 80: Courbe de surface de réponse de l’abattement de la DCO en fonction de la dose du
coagulant et du floculant, pH = 6
Figure 81 : Courbe de surface de réponse de l’abattement de la turbidité en fonction de la dose du
coagulant et du floculant, pH = 6
Figure 82: Courbe de surface de réponse de l’abattement de la DCO en fonction de la concentration
du coagulant et du pH, concentration du floculant = 1 g/l
Figure 83 : Courbe de surface de réponse de l’abattement de la Turbidité en fonction de la
concentration du coagulant et du pH, concentration du floculant = 1 g/l
Figure 84: courbes d'iso-réponses de la DCO en fonction de la concentration en coagulant et la
concentration en floculant, pH = 6
Figure 85: courbes d'iso-réponses de l’abattement de la Turbidité en fonction de la concentration en
coagulant et la concentration en floculant, pH = 6
Figure 86: Courbes d'iso-réponses de l’abattement de la DCO en fonction de la concentration en
coagulant et le pH, Concentration en floculant = 1 g/l
Figure 87 : Courbes d'iso-réponses de l’abattement de la Turbidité en fonction de la concentration en
coagulant et le pH, Concentration en floculant = 1 g/l
Figure 88 : l’évolution du PH en fonction du volume de H2SO4 ajouté.
Figure 89: Effluent de la savonnerie avant ajout de H2SO4, pH=12,35
Figure 90: Effluent de la savonnerie après ajout de H2SO4, pH= 1,5
18
Figure 91 : point de prélèvement de l’effluent
Figure 92: suivi de l’azote total Kjeldahl dans les différents points de prélèvement
Figure 93 : suivi de l’azote ammoniacal dans les différents points de prélèvement
Figure 94: suivi de nitrite dans les différents points de prélèvement
Figure 95: suivi de nitrates dans les différents points de prélèvement
Figure 96 : Bassin d’aération
19
Introduction général
A notre époque l’eau est devenue une matière indispensable au fonctionnement des usines et
de toutes activités industrielles.
Parallèlement à cette situation, les phénomènes qui contribuent à la dégradation de la qualité
de l’eau et par suite, à la perturbation de tout l’écosystème se multiplient et s’intensifient. Le
rejet des eaux usées chargées en substances polluantes, dans le milieu récepteur sans aucun
traitement préalable est un motif de préoccupation croissant compte tenu des effets
indésirables qu’elles peuvent engendrer sur l’environnement et sur la santé.
A l’instar des autres pays bien avancés au niveau de la protection de l’environnement, le
Maroc fait son bonhomme de chemin, en promulguant des lois qui contraindraient les
industriels en fonction de leur activité à s’équiper d’unités de traitement des eaux usées pour
diminuer la charge polluante des effluents avant leur déversement dans les cours d’eau ou
dans la mer via les réseaux d’assainissement on site par exemple la loi 10-95 de l’eau Publiée
en 1995, vise à établir une politique nationale de l’eau basée sur une vision prospective tenant
compte à la fois de l’évolution des ressources et d’autres besoins nationaux en eau
Et dans le cadre de participation à la dépollution industrielle et vue la nature de son activité
qui n’est autre que « le raffinage des huiles brute et la production du savon», LESIEUR
CRISTAL a pris l’initiative de créer une station d’épuration en collaboration avec NIJUIS
WATER TECHNOLOGIE société hollandaise et la LYDEC dans le but de traiter ses déchets
aqueux avant leur déversement dans le milieu récepteur.
C’est dans cette optique que notre projet de fin d’études est la synthèse d’un stage de 4 mois
au sein de l’usine LESIEUR CRISTAL à Ain harrouda, et qui consiste en un projet
« L’optimisation de la station d’épuration des eaux usées de Lesieur cristal» s’inscrit dans le
cadre d’une série d’actions visant à maitriser et à optimiser le fonctionnement de la station
d’épuration de l’usine LESIEUR CRISTAL.
20
Afin de mieux appréhender ce travail, le présent rapport comporte 4 parties : La 1ere partie
décrit le processus de production de l’usine Lesieur cristal, la 2ème partie traite quelques
généralités sur les eaux usées générés par les industries agro-alimentaires et fait le point sur
les différentes étapes d’épuration biologique des eaux usées. La 3éme partie traite l’étude de la
station de Lesieur cristal avec le suivie de ces performances. Et finalement, La 4ème partie
présente notre travaille concernant l’optimisation des filières de prétraitement, traitement
physico-chimique et biologique de la station d’épuration de Lesieur cristal.
21
PARTIE I:
Présentation de l’organisme d’accueil
22
I.
Présentation général de la société Lesieur cristal :
1. Présentation de l’entreprise :
Lesieur-Cristal occupe la première place au sein des sociétés agro-industrielles marocaines.
L’entreprise est également l’un des opérateurs leaders dans son secteur à l’échelle
continentale.
Depuis plus de 70 ans, Lesieur-Cristal opère sur l’ensemble des métiers du secteur des corps
gras, dont elle stimule le développement par ses innovations constantes et par ses standards de
qualité. La trituration des graines oléagineuses, le raffinage des huiles, le conditionnement
d’une gamme d’huiles de table et d’olive, ainsi qu’une gamme de savons représentent le cœur
d’activité de l’entreprise. Un portefeuille riche et diversifié de marques fortes et mythiques
permet à l’entreprise de fidéliser et contribuer au bien-être des millions de consommateurs à
travers plusieurs générations.
Lesieur-Cristal est par ailleurs le premier fournisseur en huiles raffinées destinées notamment
aux professionnels de l’agro-industrie, faisant bénéficier ses partenaires de son expérience et
de sa dimension internationale, dans une démarche de proximité orientée qualité.
Acteur engagé pour la qualité dans une logique de renforcement de sa démarche de
développement durable, Lesieur-Cristal a mis depuis plusieurs années le management de la
qualité au cœur de son organisation. La totalité de ses processus sont certifiés ISO 9001, ISO
22000 et ISO 14001, plaçant l’entreprise en tant qu’opérateur pionnier œuvrant pour la
qualité, la sécurité des aliments et la préservation de l’environnement.
Pilier de sa stratégie, Lesieur-Cristal s’appuie par ailleurs sur un capital humain performant,
grâce à un encadrement moderne et dynamique, couronné par la création de l’académie
d’entreprise Excellium, un centre de développement des compétences et de partage de valeurs
fortes et de la culture de l’Excellence à tous les niveaux de l’entreprise
23
2. Fiche signalétique :
Raison sociale
Lesieur Cristal
Forme juridique
Société anonyme au Capital 276.3 Mdhs
Groupe
AVRIL
Sigle de la société
Date de création
1941
Objet social
la trituration des graines oléagineuses, la
Nombre d’employé permanant
production d'huiles brutes, le raffinage des
300.000 tonnes
huiles et la production du savon
1700 dont 70 cadres
Nombre d’employé saisonnier
400
Identifiant fiscal
01640392
Adresse
1 rue Caporal Corbie, Roches Noires.
Téléphone
Casablanca
022 35 46 36
Fax
022 35 43 31
Site Web
www.lesieurcristal.ma
Production annuelle
3. L’historique de Lesieur cristal :
Derrière la bouteille d’huile présente sur toutes les bonnes tables se cache une belle histoire
d’une famille. Celle de Georges LESIEUR. Tout commence en 1908. Alors qu’il pourrait
goûter aux plaisirs d’une retraite bien méritée, l’ancien président de la chambre de commerce
de Paris n’a qu’une idée en tête : entreprendre.
Avec ses trois fils, George décide d’investir le fruit de quarante années de labeur dans la
création d’une affaire d’huiles végétales.
24
La première usine LESIEUR sort de terre dans le nord de la France. Les ventes explosent et
de nouveaux entrepôts voient le jour. Dés 1941, LESIEUR ouvre sa première filiale africaine,
au Sénégal. Deux autres naissent l’année suivante, au Maroc et en Algérie.
A la fin de la seconde guerre mondiale, la famille LESIEUR retrousse ses manches. L’heure
est à la reconstruction des installations anéanties par les bombardements. L’Ascension
reprend de plus belle. A partir de 1958, LESIEUR est déjà le premier huilier du marché
français
Depuis, la notoriété de la marque n’a cessé de croître grâce aux efforts déployés pour
développer la gamme et améliore la qualité des produits. Au fil des décennies, la vie de la
maison LESIEUR a ainsi été rythmée par une succession d’innovations dont certaines font
encore autorité : la bouteille en PVC en 1963, la bouteille en polyéthylène téréphtalique (PET)
en 1985, le bouchon équipé d’un bec verseur en 1997…..
UNIGRAL CRISTAL a été créée en 1937 par un groupe d’obédience danoise sur le nom de
SIHAM (Société Industrielle des Huiles au Maroc), a cette époque, sa production ne dépassait
pas les cinq tonnes par jour, son activité était limitée au raffinage des huiles avant de se
diriger vers la production des savons en 1955, cependant la production des huiles a été
améliorée surtout avec la création en 1954, d’une union industrielle des grandes huileries
(SIHAM, HSM, GALIA et SIMON) .
A la fin de l’année 1989, la société LESIEUR AFRIQUE a fusionné avec la société
UNIGRAL CRISTAL donnant naissance à LESIEUR CRISTAL et en 1993, la société
d’exploitation des produits oléagineux (SEPO) rejoint LAUC pour constitue la société
LESIEUR CRISTAL, grande filiale d’AVRIL et leader au Maroc dans le secteur des corps
gras.
25
4. Organigramme de l’entreprise :
Figure 1: Organigramme de Lesieur cristal
5. Marque et produit :
Lesieur Cristal conditionne et commercialise une gamme complète de marques d'huiles, de
savons et de produits d'hygiène de haute qualité qui ont su conquérir l'adhésion et la fidélité
renouvelée des millions de consommateurs.
26
Les huiles : Depuis plus de 70 ans, « Lesieur-Cristal », leader du secteur des huiles au Maroc,
accompagne les consommateurs en leur offrant une gamme de produits diversifiés et
innovants qui répondent à leurs attentes. Avec un taux de pénétration de 100% dans les foyers
marocains, l’huile est un ingrédient indispensable, ancré dans la tradition marocaine, qui
évoque, pour les ménagères, les préparations culinaires telles que la friture, les tagines, les
gâteaux, et autres recettes traditionnelles comme les « rghaïfs » ou « briouats »…
 Les huiles de table :
Lesieur Plus Omega 3
Lesieur Friture
Safia
Graine d'Or
Huilor
Cristal Oméga 3
Cristal Friture
 Les huiles d’olives :
Oléor
Jawhara
Cristal Olive
Mabrouka
Les savons corporels : Taous Beauté, la nouvelle gamme de savons corporels a été conçue
avec science et art pour offrir à la peau tous les bienfaits d'une nature généreuse, aux parfums
relaxants respirant le bien-être.
27
Taous Beauté à la glycérine
Taous Beauté Lavande
Taous Beauté à l’huile
d’argan
Taous Beauté à l’huile
d’olive
Taous Beauté au miel
Produits de nettoyage : Le savoir-faire et l'expertise de « Lesieur-Cristal » au service de
l'innovation afin d'offrir au consommateur des produits d'entretien dont la formulation assure
une propreté et une efficacité maximales.
El Kef
Laroussa
El Menjel
6. Sites de production :
Lesieur Cristal dispose de trois sites de production :
 L’usine de Roches Noires I (RNI) :
Elle a pour activité principale le raffinage des huiles brutes (local ou importées) sa capacité de
production est estimée à 400T/J
28
 L’usine de Roches Noires II (RNII) :
Au niveau de cette usine, sont triturées les différentes qualités de graine oléagineuse. Sa
capacité de production varie selon la qualité de graine traité, celle-ci s’élève à 1100T/J quand
il y a lieu de traiter la graine de soya et à 900 T/J pour les autres qualités de graine.
 L’usine d’Ain Harrouda (AH):
Cette usine dispose d’une section savonnerie ou est produite les différentes gammes de savon.
Elle est spécialisée également dans le raffinage des huiles brutes (produit locale ou
importées), la fabrication des bouteilles et le conditionnement.
En termes d’huile raffinée sa capacité de production est estimée à 550 T/J. quant à la
fabrication des bouteilles et au conditionnement, la capacité de production s’élève à 800T/J.
II.
Présentation du processus de production de Lesieur cristal
La chaîne de la production de Lesieur cristal englobe plusieurs opérations :
 Trituration des graines
 Raffinage des huiles brutes
 Conditionnement et fabrication d’emballage d’huile de table
 Activité de cassage de pate
 Activité de savonnerie
1. Processus de trituration des graines
Ce procédé consiste à presser les graines oléagineuses pour extraire l’huile végétale brute
d’un côté, les tourteaux de l’autre. Transportées par camions à l’usine roche noir II, les
graines sont lavées une première fois avant d’être stockées dans des silos. Après un nettoyage
très poussé, elles sont soumises à différentes opérations physico-chimiques. En fin de
processus, Le produit tourteau est destiné principalement au marché de l’élevage. La capacité
de trituration des graines est de 350.000 Tonnes par an.
2. Processus du raffinage des huiles brutes
La trituration suit par le raffinage c’est éliminer les impuretés de l’huile brute. C’est une série
de traitements destinés à transformer l’huile brute en produit alimentaire.
Les étapes du raffinage sont :
29
Huile brute de
tournesol, soya
ou colza
Décantation
Démucilagination
Neutralisation
Lavage
Séchage
Décoloration
Désodorisation
Huile raffinée
o Décantation
Dans cette phase, l’huile est gardée un certain temps dans des réservoirs.
o Démucilagination
Dans cette étape du raffinage on injecte de l’acide phosphorique pour éliminer les
phospholipides.
o Neutralisation
Cette étape vise à éliminer les acides gras libres, qui sont sous forme de pâte à savon.
Le système de neutralisation fonctionne comme suit : L’huile démucilaginée reçoit grâce à un
mélangeur, une quantité de soude pour sépare la pâte à savon et passe au séparateur pour avoir
une huile neutralisée
o Le Lavage
Cette étape à pour objectif d’éliminer les dernières traces de phospholipides. On procède à
deux lavages successifs : injection de l’eau chaude dans l’huile neutralisée. De la même
façon, le deuxième lavage qui permet d’obtenir une huile ayant moins de savon.
o Séchage
L’étape de séchage à pour objectif l’aspiration d’humidité qui se trouve dans l’huile lavée,
donc on procède à l’injection de la vapeur dans une colonne d’évaporation.
o Décoloration
Cette opération vise à corriger la couleur de l’huile et d’éliminer les pigments restants de la
neutralisation à l’aide de la terre décolorante. Le procédé de décoloration consiste à pomper
de l’huile séchée dans un mélangeur avec la terre décolorante, puis le transmettre vers un
30
décolorateur. Ensuite, le mélange passe dans un premier temps dans des filtres qui séparent
l’huile décolorée de la terre décolorante. Dans un deuxième temps, le mélange passe dans des
filtres à poche pour éliminer la totalité de la terre décolorante.
o Désodorisation
C’est la dernière phase du raffinage de l’huile. Elle a pour but d’enlever les odeurs restantes
dans l’huile. Cette huile sera pompée vers un désodoriseur au niveau duquel elle va subir à la
fois un chauffage et une injection de la vapeur ce qui permet de remonter toutes les matières
volatiles.
En dernier lieu, l’huile finie passe dans un système d’échangeur sert à la refroidir pour un
stockage ultérieur approprié.
3. Conditionnement et fabrication d’emballage d’huile de table
Lesieur Cristal conditionne une gamme très étendue d'huiles de table, d'huiles d'olive. Le
conditionnement de tous les produits de la gamme des huiles de table et d'olive se fait dans
des bouteilles fabriquées à base de Polyéthylène Téréphtalique (PET) et de Polyéthylène
Haute Densité (PEHD). L'activité conditionnement et fabrication d'emballage a toujours
bénéficié d'une politique de mécanisation et d'automatisation importante, qui permet d'innover
et améliorer la qualité des emballages, dans le respect des standards et normes de qualité
relatives à la sécurité alimentaire et au respect de l'environnement, mais aussi dans le respect
des besoins et attentes des consommateurs.
o Nombre de bouteilles produites: 200 millions de bouteilles (1/2L, 1L, 2L et 5L) / an.
o Nombre de litres d’huiles conditionnés: 200 millions / an.
4. Activité de cassage de pate :
La pâte extraite au cours de l’étape de la neutralisation est traitée avec de l’acide sulfurique
(H2SO4) pour récupérer l’acide gras ce dernier est utilisé pour la fabrication des savons selon
la réaction suivante :
Pâte + H2SO4 ---------> R-COOH + Na2SO4 + huile neutre
31
Les rejets de l’atelier de cassage de pâte sont envoyés à la station de traitement des eaux
usées.
5. Activité de savonnerie
C’est une ancienne activité crée par Lesieur Cristal à Ain Harrouda, pour la fabrication du
savon. Aujourd’hui, et grâce à l’innovation et l’emploi de la nouvelle technologie, Lesieur
Cristal devient le leader de cette activité avec une grande part de marché.
Dans cette activité nous pouvons citer deux qualités de savon : Savon de ménages et Savon de
toilette qui passent par deux étapes: la saponification et le conditionnement.
Avant de passer à la saponification, il y’a un stockage de la matière première utilisée (matière
grasse de source végétale : huile de palme, acide gras, huile de palmiste, la stéarine…etc., ou
de source animal : suif fancy, suif top white). Ce stockage se fait dans des cuves où la
température est maintenue entre 30°C à 50°C pour préserver ces matières dans l’état liquide.
Les étapes de l’activité de savonnerie sont :
Stockage de
matière
première
Saponification
Lavage Savon
Décantation
Séchage
Boudinage
Coupage
Moulage
Stockage
Emballage
o Procédé de saponification
Cette étape a pour objectif de transformer la matière première à un Savon Liss avec
l’utilisation de matières auxiliaires (Soude, Sel, Colorant, parfum, l’eau …etc.) .Et cela par le
passage de plusieurs étapes :
-
Dosage de la matière première : Il consiste à préparer des mélanges de corps gras
-
Réaction de saponification : injecter à la matière première dosée une solution « la
soude », afin d’obtenir une matière liquide qui contient du savon et de la lessive.
32
-
Lavage du savon : ici la matière se dirige vers la colonne de lavage pour éliminer les
impuretés et séparer le savon de la lessive
-
Neutralisation de savon : à cette étape l’unique objectif est de diminuer le taux de soude
présent dans le savon, à une norme comprise entre 0.1% et 0.4%.
A la fin de se processus on obtient un produit semi fini « Savon Liss », qui contient 60% de la
matière grasse.
o Le conditionnement
Cette étape consiste à transformer le savon de son état liquide à un état solide pour qu’il soit
prêt à la mise en emballage, et pour cela plusieurs étapes jalonnent le parcours :
-
Séchage : c’est une étape qui consiste, à cristalliser le savon dans un échangeur de
chaleur, pour vaporiser l’eau qui se trouve dans le savon, après il passe à l’atomiseur
pour refroidir afin qu’il devient solide, le savon solide contient ici à la sortie 80% de
matière grasse.
-
Le savon solide passe dans des boudineuses, qui éliminent les ports secs qui se trouvent
dans le savon, l’homogénéiser après le transformer en morceaux de boudin qui sont
ensuite coupés en morceaux grâce à une coupeuse.
-
Les morceaux de savon passent ensuite dans une mouleuse, qui grave sur les savons le
logo, un symbole, poids et le pourcentage de matière grasse dans le savon et on obtient
soit une savonnette : Taous authentique, Taous plus…etc. ou un savon de ménages :
Elmanjel, Laaroussa, El Kef…etc.
-
Après, le savon passe à la misse en emballage soit dans des
étuis, cartons ou en
cellophane
-
Et en dernier lieu il est stocké dans un magasin produit fini prêt pour la livraison.
33
PARTIE II:
Généralité sur la station de traitement des eaux
usées type boue activé
34
Introduction
Le rejet direct des eaux usées dans le milieu naturel perturbe l’équilibre aquatique en
transformant le milieu accepteur en égouts. Cette pollution peut aller jusqu'à la disparition de
toute vie. Pour cela, il faut épurer et retirer des eaux usées un maximum de déchets, avant de
les rejeter dans l’environnement, pour que leur incidence sur la qualité de l'eau, en tant que
milieu naturel aquatique, soit la plus faible possible.
L’épuration consiste à éliminer les plus gros débris organiques ou minéraux, retirer les
matières en suspension de densité différente de l’eau tels que les grains de sables et les
particules minérales, et aussi à éliminer les pollutions résiduelles qui pourraient être gênantes
en aval (germes pathogènes, azote, phosphore….etc.) Elle se fait dans des stations d’épuration
qui comportent des installations de traitement des eaux et des dispositifs de traitement des
boues produites.
35
Chapitre 1 : Généralité sur les eaux usées des
huileries
I.
Définition des eaux usées :
Les eaux usées, aussi appelées « effluents liquides » ou « eaux polluées », sont constituées de
toutes les eaux de nature à contaminer les milieux dans lesquels elles sont déversées.
Ces eaux sont généralement formées du sous-produit d'une utilisation humaine, soit
domestique, soit industrielle, d'où l’usage de l'expression « eaux usées ». Les eaux usées sont
des eaux altérées par les activités humaines à la suite d’un usage domestique, industriel,
artisanal, agricole ou autre. Elles sont considérées comme polluées et doivent être traitées.
Elles peuvent être parfois qualifiées d'« eaux grises » lorsqu’il s'agit d'eaux peu chargées en
matières polluantes par exemple des eaux d'origine domestique. On parle d'« eaux noires »
lorsqu’elles contiennent diverses substances plus polluantes ou plus difficiles à éliminer tels
que des matières fécales, des produits cosmétiques, ou tout type de sous-produit industriel
mélangé à l'eau.
Les eaux usées peuvent contenir des polluants ou produits indésirables, que l'épuration de
l'eau cherchera à biodégrader réduire et/ou éliminer.
Parmi ces constituants néfastes ou nuisant à une qualité de l'eau irréprochable figurent des
métaux lourds et métalloïdes, des sels (phosphates (PO4) et les nitrates (NO3) principalement)
et des polluants organiques tels que PCB (polychlorydebiphényl), résidus d'hydrocarbures, de
médicaments humains et vétérinaires, de pesticides, etc.
II.
Classification des eaux usées :
À l'échelle mondiale, le traitement des eaux usées constitue le premier enjeu de santé
publique. Les eaux usées sont toutes les eaux chargées de différents éléments, ils ont deux
origines :
1. Les eaux domestiques :
Elles correspondent à l’eau que nous consommons à la maison pour les différents besoins
quotidiens. On distingue deux catégories d’eaux usées domestiques :
36
 Les eaux ménagères : qui ont pour origine les salles de bain, les cuisines. Elles
contiennent des solvants, des graisses et des débris organiques.
 Les eaux vannes : s’appliquent aux rejets des toilettes. Elles sont chargées de diverses
matières organiques azotées et de germes fécaux.
On estime que la pollution journalière produite par une personne consommant 200 litres d’eau
est évaluée comme suit : 70 à 90 g de matières en suspension, 60 à 70 g de matières
organiques, 15 à 17 g de matières azotées, 4 g de phosphore, plusieurs milliards de germes
pour 100 ml [1].
2. Les eaux industrielles et artisanales :
Les eaux usées industrielles sont chargées en différentes substances chimiques organiques et
métalliques selon leurs origines industrielles elles peuvent également contenir :

Des graisses et des huiles (industries agroalimentaires)

Des hydrocarbures (raffineries)

Des métaux (traitement de surface, métallurgie)

Des acides, des bases et divers produits chimiques (industries chimiques divers,
tanneries)
De manière générale, les industriels possèdent leur propre système de traitement des eaux
usées. Ce qui est plus rare pour les eaux artisanales.
III.
Caractérisation des eaux usées des huileries :
Le Maroc est parmi les pays méditerranéens les plus producteurs d’huile alimentaire. Cette
industrie, tant bénéfique pour l’économie nationale, génère des rejets liquides. Ces rejets
caractérisés par une couleur brune noirâtre et une forte odeur sont des eaux très polluantes,
fortement chargées en matière organique et affectent particulièrement la qualité des eaux dans
lesquelles elles sont déversées [2].
1. Caractérisation physico-chimique :
Les effluents d’huileries présentent une composition plus au moins variable. Elle dépend de
la qualité des graines (c’est-à-dire : de leur humidité, impuretés, teneur en phosphatides, en
acides gras libre…) du système d’extraction et de la qualité d’eau rajoutée lors de la phase
d’extraction de l’huile.
37
Les effluents sont généralement constitués de : 83.2% d’eau, 15% de substances organiques et
de 1.8% de substances minérales.
Ces effluents se présentent comme un liquide aqueux, de couleur brun-rougeâtre à noir. Ils ont
un pH basic (9 à 12,05), une température de (50 à 60°C) et une salinité élevée due surtout à
l’utilisation de la soude (NaOH) durant le processus du raffinage des huiles. Les rejets
d’huileries ont un pouvoir polluant très important avec une demande chimique en oxygène
(DCO) supérieur à 10000 mg/L.
2. Caractéristiques microbiologiques :
Dans les effluents d’huileries seuls quelques microorganismes arrivent à se développer. Ce
sont essentiellement des levures et des moisissures. Dans la plupart des cas, il y a absence de
microorganismes pathogènes et ils ne posent alors aucun problème de point de vue sanitaire
[3].
IV.
Les normes de rejets des eaux usées des huileries :
Au Maroc, le secteur d’industrie agro-alimentaire consomme environ 23 Millions de m3 par
an représentant 2,1% du volume d’eau utilisé dans l’industrie du pays avec un ratio spécifique
de consommation de 10 à 25 m3/t d’huile de table. Il rejette un peux prés 22 Millions de m3
par an d’eau usée. Afin de réduire l’impact de ces effluents sur l’environnement, l’état a
dressé des valeurs limites des paramètres de pollution qui sont représentés dans le tableau
suivant [4]:
Tableau 1 : Valeurs limites des paramètres de rejets des effluents liquides des huileries : Secrétariat
d’état du ministère de l’énergie des mines de l’eau et de l’environnement, département d’eau, 2009
Normes
Norme marocaine rejet
Norme marocaine rejet
Lydec
direct
indirect
DCO (mg/l)
1200
500
18000
DBO5 (mg/l)
500
100
500
MES (mg/l)
500
50
600
Huiles et graisses
0
30
50
(mg/l)
38
Si le rejet des effluents des huileries dans le milieu récepteur dépasse ces valeurs limitent des
paramètres de rejets établis par le secrétariat d’état du ministère de l’énergie des mines de
l’eau et de l’environnement en aura automatiquement une perturbation de l’écosystème
aquatique et terrestre.
V.
Impacts environnementaux des rejets des huileries :
La charge de pollution produite par les huileries est une source dramatique de pollution de
l’environnement. Ces eaux fortement polluées causant de sérieux dégâts environnementaux
(voir figure 2).
L’absence de méthodes de traitement adaptées pousse les propriétaires des huileries à rejeter
ces eaux dans la nature sans aucun contrôle ou à surcharger avec ces substances toxiques un
réseau d’égout pas adapté.
Figure 2: rejets des effluents des huileries dans le milieu récepteur
Donc les principaux dangers causés par les rejets des huileries sont :
Impact des rejets sur le réseau d’assainissement :
-
Colmatage des collecteurs à cause du refroidissement des graisses et huiles provoquant
ainsi l’obstruction totale de l’écoulement et par suite des débordements d’eaux usées vers
la plage.
-
Dégagement d’odeurs nuisibles tout au long du réseau et dans la station de relevage.
39
-
L’eau acide de pH faible est parmi les facteurs qui sont responsables de la corrosion des
conduite d’eau, et donc d’altération des matériaux qui les composent. La libération ou la
mobilisation de ces métaux dans l’eau notamment le cuivre, le fer le plomb, le cadmium a
des conséquences négatives sur la vie aquatique [5].
Impact des rejets sur le milieu naturel :
-
La forte charge de l’effluent en graisse et huile dans les cours d’eau induit à l’apparition
de mauvais goûts, prolifération bactérienne, odeurs pestilentielles et colorations anormales
qui pouvaient être perçue par l’œil humain à partir de 5 × 10-6 g/L. En dehors de l’aspect
inesthétique, ces rejets chargés en graisse ont la capacité d’interférer avec la transmission
de la lumière dans l’eau, bloquant ainsi la photosynthèse des plantes aquatiques
-
Le moussage provoqué par la présence des détergents dans l’eau ou l’étalage d’une
couche d’huile à la surface ont pour conséquence d’empêcher la pénétration des rayons
solaire au fond de la rivière et de réduire la capacité de ré oxygénation des cours d’eau.
Cette situation crée des conditions d’anaérobiose dans les cours d’eau et l’asphyxie des
êtres aérobies.
-
La pollution par le phosphate, l’azote et les graisses déclenche un processus
d’eutrophisation de l’eau, c’est-à-dire sous l’action des microorganismes, les rejets
libèrent des nitrates et des phosphates dans le milieu naturel. Ces ions minéraux introduits
en quantité trop importante peuvent devenir toxiques pour la vie piscicole et altérer la
production d’eau potable. Leur consommation par les plantes aquatiques accélère leur
prolifération anarchique et conduit à l’appauvrissement en oxygène par inhibition de la
photosynthèse dans les strates les plus profondes des cours d’eau et des eaux stagnantes.
-
L’augmentation de la température accélère les réactions chimiques dans l’eau, favorise la
dissolution des éléments toxiques, et stimule la prolifération des bactéries thermophiles.
-
Le pH de ces eaux usées (surtout des rejets des unités de savonneries) est très élevé et peut
occasionner la mort des poissons de la faune aquatique. Le résultat sera une perturbation
de l’équilibre écologique du milieu de rejet.
-
La forte charge de l’effluent en graisse et huile constituent un risque important pour les
nappes souterraines, les oueds étant des milieux favorables à une alimentation directe de
la nappe. Ces eaux usées rejetées dans la nature par épandage sur les sols peuvent aussi
40
poser des problèmes environnementaux. Par ce mode d’élimination des effluents, les eaux
souterraines peuvent être polluées, ce qui affecte la qualité de ces ressources [6].
VI.
Nécessité de traitement :
Face au problème environnementaux causés par les rejets d’eaux polluées des huileries dans
le milieu naturel l’homme n’a d’autre choix que de recourir aux situation d’épuration pour
l’élimination de la pollution afin de protéger les ressources en eau, la flore et la faune des
milieux de rejet. (Voir figure 3)
Figure 3 : rejets des huileries dans le milieu naturel
41
Chapitre 2 : présentation du fonctionnement de la
station de traitement des eaux usées type boue activé
L’objectif principal du traitement des eaux industriel est l’obtention d’une eau épurée qui
satisfait aux normes de rejet édictée par la législation et pouvant par suite être évacuée sans
danger dans le milieu naturel ou bien être utilisée dans le cadre des mesures nécessaires à une
bonne gestion de l’eau (recyclage).
I.
Principe de l’épuration des eaux usées part boue activé :
Le principe est de faire dégrader la matière organique (en suspension ou dissoute dans les
eaux usées) principalement par des bactéries (dont bactéries filamenteuses), qui seront ellesmêmes mangées par des microorganismes (protozoaires qui sont surtout des ciliées, en partie
responsables de la floculation et source de clarification progressive de l'eau).
Le brassage permanent du milieu permet un meilleur accès des bactéries aux particules et une
aération importante nécessaire à la pérennité du système de biodégradation (seule la pollution
biodégradable peut être ainsi traitée). Il est suivi d'une décantation à partir de laquelle on
renvoie les boues riches en bactéries vers le bassin d'aération.
« Les bactéries filamenteuses relient les flocs entre eux, provoquant le phénomène de
"bulking" et diminuent la vitesse de décantation ». Quand elles sont moins présentes ou
absentes, les flocs bactériens sont plus petits et la turbidité plus élevée ou des phénomènes de
"moussage" peuvent perturber le fonctionnement de la station d'épuration.
Le procédé à boues activées a quatre objectifs [7]:

Éliminer la pollution carbonée (matières organiques)

Éliminer une partie de la pollution azotée

Fixer le phosphore dans la matière décantée

Stabiliser les boues (procédé dit d'« aération prolongée » ou « digestion
aérobie »).
42
II.
Les composantes d’une station de traitement des eaux usée à boue
activé :
1. Filière eau :
Les eaux usées sont généralement soumises dans les stations d’épuration à :
-
Des prétraitements de :
 Dégrillage
 Dessablage
 Déshuilage
Qui constituent en élimination des objets volumineux, sable et graisse.
-
Éventuellement un traitement primaire de :
 Décantation
Qui permet l’élimination des boues primaires principalement les MES (matières en
suspension).
-
Et à un traitement secondaire :
Le plus souvent, biologique par boues activées, lits bactériens, bio disque, lagunage,…
comprenant une décantation et qui consiste en l’élimination de la matière organique dissoute
(boues secondaire).
-
Parfois à un traitement de l’azote et du phosphore :
 Biologique d’élimination de l’azote et du phosphore
 Chimique de précipitation et de décantation du phosphore
 Physico-chimique de désinfection (élimination des pathogènes)
 Élimination des germes pathogènes.
-
Enfin, souvent à un traitement tertiaire :
 Micro-tamis
 Lampes UV
 Chloration
Il s’agit incontestablement de la dernière étape dans le traitement des eaux usées.
Tout ceci pour satisfaire aux exigences de la norme de rejet imposée
43
Une opération de relèvement des effluents, effectuée avant ou après dégrillage est souvent
gravitaires sur les différentes étapes de traitement.
a) L’assainissement :
L’assainissement est un processus par lequel des personnes peuvent vivre dans un
environnement plus sain ; pour cela, des moyens physiques, institutionnels et sociaux sont
mis en œuvre dans différents domaines, tels que l'évacuation des eaux usées et de
ruissellement, l'évacuation des déchets solides, l'évacuation des excréta et le traitement de
tous ces éléments avant le rejet dans l’environnement. L’assainissement des villes a pour
objectifs :

Collecter et évacuer les eaux usées (domestiques, industrielles et agricoles), pluviales
et les eaux de ruissellement en évitant les risques d’inondation. Ceci grâce à des
ouvrages de décharge éventuels et une bonne étanchéité des réseaux.

Assurer leur rejet dans le milieu récepteur après un traitement compatible avec les
exigences de la santé publique et de l’environnement,

Évacuation rapide, sans stagnation, de tous les déchets d’origine humaine susceptibles de
donner naissance à des odeurs et des putréfactions nuisibles;
Un réseau d’assainissement évacuant des eaux usées et des eaux pluviales, est un
ensemble complexe de canalisations et d’ouvrages destinés aux opérations et fonctions
suivantes :
 Collecte et sélection d’effluents grâce aux bouches d’égouts et aux ouvrages de
branchements,
 Transport dans les collecteurs et les canalisations gravitaires ou les conduites de
refoulement,
 Protection du réseau et régulation hydraulique (bassin de retenue, déversoirs
d’orage...).
 Les déversoirs d’orage qui permettant le rejet direct d’une partie des
effluents au milieu naturel lorsque le débit à l’amont dépasse une certaine
valeur,
 Des stations de pompage qui permet de relever les eaux à haut niveau.
44
b) Prétraitement :
Le prétraitement a pour objectif de séparer les matières les plus grossières et les éléments
susceptibles de gêner les étapes ultérieures du traitement. Il comprend le dégrillage, le
déshuilage et le dessablage :
 Le dégrillage permet l’élimination des matières flottantes grossières. Pour ce faire,
l'eau usée passe à travers une ou plusieurs grilles dont les mailles sont de plus en
plus serrées allant d’un diamètre de 20cm jusqu'à 1cm de l’amont vers l’aval. (voir
figure 4 et 5)
Figure 4: Dégrillage grossier
Figure 5: Dégrillage fin
 Le dessablage, a pour but d'extraire des effluents bruts les graviers, sables et
particules minérales, de façon a éviter les dépôts dans les canaux et conduites, à
protéger les pompes et autres appareils contre l'abrasion. (voir figure 6)
Figure 6 : Schéma d’un dessableur
45
 Le déshuilage, qui a pour fonction de retenir les graisses et les huiles rejetées par les
ménages, par certaines industries ou entreprise raccordées au réseau d’assainissement
(garage, dégraissage,…) par flottation. (voir figure 7)
Figure 7: schéma d’un dégraisseur
c) Traitement primaire :
Les bassins de décantation primaire sont les unités de traitement les plus économiques pour
enlever les matières polluantes (voir figure 8). Les principaux objectifs des bassins de
décantation primaire sont :

Enlever les petites particules solides qui sont déposées en les faisant floculer en plus
grosses particules ;

Enlever les particules colloïdales par l’absorption sur des plus grosses particules ;

Enlever les matières flottantes (huile et graisse)
Figure 8: bassin de décantation primaire
46
La décantation consiste à faire traverser l’effluent à fiable vitesse dans un bassin, de façon à
ce que les MES puissent sédimenter. Le profil du fond de ce bassin permet le rassemblement
et le reprise de la MES obtenue et les boues déposées sont récupérées par raclage permanent
et extraction.
Le processus de décantation réside dans l’utilisation des forces de gravité pour séparer une
particule de densité supérieure à celle du liquide jusqu’à une surface ou une zone de stockage.
Les boues fraiches extraites sont très fermentescibles et souvent dirigées vers un étage de
traitement des boues anaérobie. Dans les installations importantes (100.000 EH), le biogaz est
récupéré et valorisé en énergie calorifique ou électronique.
d) Traitement physico-chimique :
Ces traitements consistent en l’utilisation de réactifs chimiques, qui permettent d’alourdir les
particules en suspension et de floculer les colloïdes .ils peuvent renforcer les rendements des
traitements primaires ou secondaires, comme ils peuvent les remplaces.
Dans ce type de traitement on distingue :
 La coagulation –floculation :
La coagulation a pour but principal de déstabiliser les particules en suspension c’est-à-dire de
faciliter leur agglomération. En pratique ce procédé est caractérisé par l’injection et
la dispersion des coagulants. La floculation a pour but de favoriser à l’aide d’un mélange lent
les contacts entre les particules déstabilisées. Ces particules s’agglutinent pour former un floc
qu’on pourra facilement éliminer par les procédés de décantation et de filtration
 La séparation des phases solides-liquides :
 Séparation par décantation,
 Séparation par flottation (insufflation d’air) de tout ce qui est insoluble
e) Traitement secondaires :
Le traitement biologique secondaire consiste dans une première phase, à provoquer le
développement des bactéries qui se rassemblent en films ou flocons et dans une seconde
phase, à séparer par décantation les boues ainsi développées.
Les traitements secondaires englobent les différents procédés d’épuration biologiques. On
distingue :
47
 Les systèmes intensifs :
Système sophistiqués nécessitant des surfaces plus ou moins réduites et exigeant une main
d’œuvre qualifiée et une surveillance plus ou moins poussée dont les plus courants :

Boues activées

Disque biologique

Lits bactériens
 Les systèmes extensifs :
Systèmes rustiques nécessitant des surfaces importantes et peuvent être exploités par un
personnel peu qualifié

Lagunage

Infiltration –percolation

Chenal d’algal
 Boues activées :
C’est un procédé biologique aérobie. La boue activée est une masse biologique vivante
constituée de micro-organismes de substrat et de métabolites. L’ensemble se maintient sous
l’effet de l’aération, en suspension dans l’eau sous forme de flocs brunâtre : boues activées.
La biomasse peut être séparée par une deuxième décantation où la boue extraite est recirculée
vers le bassin de traitement aérobie.
Le procédé des boues activées comprend les composantes de base suivante :
 Le bassin d’aération ou d’activation : réacteur biologique (l’aération peut être
assurée en surface par brassage de surface par turbines, ou dans le fond par
insufflation d’air par des procédés de rampe de distribution de bulles d’air).
 Le décanteur secondaire ou clarificateur
Au niveau du clarificateur :
 Les boues activées sont recyclées
48
 Les boues excédentaires sont acheminées vers la filière de traitement des
boues. (voir figure 9)
Figure 9 : Schéma de principe d'un procédé d'épuration à boues activées
f) Traitement tertiaire :
L’expression « traitement tertiaire » peut désigner plusieurs types de traitements ou
différentes fonctions en vue d’atteindre un niveau de traitement de qualité supérieure à ce que
l’on pourrait normalement attendre d’un traitement secondaire. Le traitement tertiaire peut
viser un enlèvement plus poussé pour des paramètres conventionnels comme les matières en
suspension non biodégradables ou encore viser certains paramètres pour lesquels il y a peu
d’enlèvement dans un traitement secondaire comme le phosphore.
Cette étape permet de réduire le nombre de bactéries, donc de germes pathogènes présents
dans l'eau traitée. Elle peut être demandée pour la réutilisation de l’eau, ou pour protéger une
zone de baignade, un captage d'eau potable ou une zone conchylicole.
Parmi les procédés tertiaires avancés, on distingue les procédés membranaires
(microfiltration, ultrafiltration, Nanofiltration et osmose inverse), les procédés d’adsorption
sur le charbon actif, l’ozonation, filtration sur sable, l’irradiation par UV et les procédés
d’oxydation avancée (UV/H2O2, O3/UV, Fenton...).
 Les procédés membranaires:
Les membranes poreuses opposent une résistance au passage des éléments en fonction de leur
taille. Les procédés membranaires sont répartis en 4 catégories selon leur seuil de coupure :
microfiltration de 1 à 100 μm (MF), ultrafiltration de 1 à 0.1 μm (UF), Nanofiltration de 10 à
49
100 nm (NF) et enfin osmose inverse de 1 à 10 nm (OI) (voir figure).
La force motrice de ce type de procédé est la pression du liquide à traiter. L'eau pressurisée
entre dans le module et traverse la barrière physique que constitue la membrane. Les
membranes d'ultrafiltration sont constituées de pores d'un diamètre d'environ 0,01
micromètres et permettent donc de retenir les colloïdes, les macromolécules organiques,
certains composés dissous ainsi que les virus et bactéries. En revanche, si l'eau à traiter
contient des ions à éliminer tel que les sulfates (SO42-), il faudra envisager l'utilisation d'une
membrane avec des tailles de pores inférieures telle que les membranes de Nanofiltration [8].
Figure 10: Différentes substances éliminées par chaque technique membranaire
Une unité de filtration membranaire peut opérer selon deux modes de filtration, frontale ou
tangentielle.
 Procédés d’adsorption sur charbon actif :
Le charbon actif est un carbone microporeux possédant une grande surface spécifique. Il a
ainsi une grande capacité d’adsorption et peut être le catalyseur de réactions chimiques. En
général, il est produit par pyrolyse de matière organique végétale (bois, écorces, coques de
noix de coco, noyaux d’olive) ou de matière organique fossiles (houille, tourbe, lignite,
résidus pétroliers), puis il est activé soit par des gaz oxydants à haute température, soit à l’aide
d’acide phosphorique.
50
L’adsorption sur charbon actif peut être utilisée comme un traitement tertiaire. Grâce à sa
grande surface spécifique, le charbon actif a un fort pouvoir adsorbant. Le charbon actif en
poudre (CAP) est généralement préféré car sa capacité d’adsorption et la vitesse d’adsorption
sont plus élevées que pour le charbon actif en grain (CAG).
Le mécanisme prédominant d’élimination des micropolluants par le charbon actif est
l’adsorption sur des sites actifs du CAG ou CAP. L’adsorption est un phénomène de surface
par lequel des molécules se fixent sur la surface du charbon actif grâce à différentes forces
(charges électriques, interaction dipôle-dipôle, forces de Van der Waals, liaisons covalentes,
liaisons hydrogènes etc.). Les processus d’interaction hydrophobes sur la surface du charbon
sont les mécanismes dominants pour l’élimination des micropolluants.
Plusieurs paramètres peuvent avoir une influence sur le degré d’adsorption des
micropolluants [9]:

Type de charbon actif (taille, surface spécifique, granulométrie...)

Dosage de charbon actif (Plus il est élevé, plus la quantité de substances adsorbées
sera élevée.)

Temps de contact entre le charbon actif et les effluents à traiter

Structure moléculaire des micropolluants (les groupes fonctionnels OH, NH2, SO2,
COOH…).

Poids moléculaires des micropolluants et taille moléculaire.

Solubilité des micropolluants.

Compétition entre les molécules (en cas de mélange).

Température opératoire.
 Ozonation :
La réaction de l’ozone avec chacun des composés est caractérisée par une cinétique de
réaction. On définit pour chacune des réactivités de l’ozone avec les micropolluants des
constantes d’oxydation :

kO3(M-1.s-1) pour une réaction directe de l’ozone sur le micropolluant.

kOH(M-1.s-1) pour une réaction indirecte de l’ozone avec activation primaire du
radical hydroxyle.
51
La dégradation par l’O3 est très sélective de certains groupes fonctionnels, à l’inverse du
groupement hydroxyle qui réagit avec une large gamme de fonctions chimiques.
L’ozone réagit non seulement avec les micropolluants, mais aussi la matière organique, le
nitrite et d’autres composés inorganiques. En plus de l’augmentation de la consommation
d’ozone, cela engendre un risque de formation des sous-produits indésirables comme des
nitrosamines ou du bromate. Supposée depuis plusieurs années, la formation de sous-produits
bromés est aujourd’hui avérée. Le pouvoir oxydant spécifique peut être amélioré en le
couplant à d’autres procédés.
Ainsi, l’ozonation est parfois intégrée à un étage biologique. Elle améliore la biodégradabilité
en oxydant partiellement les composés chimiques et augmente la vitesse de biodégradation de
l’étage biologique. L’ozone en excès, réduit sous la forme d’oxygène permet aussi
d’alimenter les bactéries du bassin biologique.
Il peut aussi être couplé à d’autres procédés d’oxydation avancée, comme le peroxyde
d’hydrogène (O3/H2O2) ou le traitement ultraviolet (O3/UV).
 Filtre sur sable :
Le filtre à sable permet d’éliminer les particules en suspension dans l’eau. Ces particules
peuvent être de différents types: flocons chimiques d’hydroxydes de métal, flocons de
traitements biologiques, fibres, particules minérales.
Après un certain temps (quelques heures à quelques jours en fonction du taux de pollution des
eaux), les sables sont colmatés par une couche de matière cumulée d’où la nécessitée de
l’étape de lavage des circuits à sable qui se déroule en deux phases :
 Injection d’air et d’eau simultanément qui permet une vidange jusqu’au niveau du
matériau filtrant et décolmatage. Cela permet de ne pas mettre en expansion le
matériau filtrant et ainsi de ne pas aboutir à un classement granulométrique,
concentrant les fines du milieu granulaire en surface.
 Rinçage à l’eau seule avec une vitesse de 20 à 30 m/h pendant 5 à 10 minutes
52
Figure 11: Les filtres à sables utilisés dans le traitement tertiaire.
 Irradiation UV:
La désinfection des eaux usées par rayonnement ultraviolet consiste à faire passer les eaux
usées dans un réacteur dans lequel sont placées des lampes à vapeur de mercure qui émettent
des rayons UV (voir figure 12).
Le traitement UV abouti à des résultats très variables (de 0 à 100 %) suivant la dose, le temps
d’exposition, le pH, la quantité de matière organique et le recours à des catalyseurs
d’oxydation.
Figure 12 : réacteur ouvert pour la désinfection des eaux usées par les rayons ultraviolets
Les principaux facteurs à considérer lors de la conception d’une installation de désinfection
des eaux usées par rayonnement ultraviolet sont :
53

Les débits d’eaux usées

Les caractéristiques des eaux usées incluant le type de traitement préalable au réacteur
UV, la concentration en MES et le pourcentage de transmission;

La concentration en coliformes fécaux permise à l’effluent, en tenant compte du
facteur de photoréactivation;

La dose requise de rayons UV;

Les caractéristiques hydrauliques du réacteur.
Il existe différents modèles mathématiques qui ont été élaborés pour calculer la qualité de
l’effluent en fonction de la dose de rayons UV appliqués.
2. Filière boue :
Le principal objectif du traitement des boues en station d'épuration est d'en réduire le volume
pour limiter les quantités à stocker (voire à épandre), et de les stabiliser pour en améliorer les
caractéristiques physiques (amélioration de leur tenue en tas) et arrêter la biodégradation dont
elles sont le lieu. En effet, leur forte teneur en eau (99 %) et les fortes populations
bactériennes qui s'y retrouvent en font un bouillon de culture favorable à la dégradation de la
matière organique fraiche et très fermentescible qu'elles contiennent, avec production de
mauvaises odeurs. Outre la teneur en éléments-traces (liée à la présence de matières minérales
dissoutes ou insolubles), la siccité est un paramètre fondamental de la caractéristique des
boues : elle s'exprime en tonnages de Matière Sèche (MS).
Alors on distingue plusieurs étapes de traitement des boues :
L'Épaississement
La déshydratation
Le séchage
la stabilisation de la
matière organique
a) L'Épaississement :
Il s'agit de la première étape de traitement des boues, qui s'opère en général avant le mélange
des boues issues des différentes étapes d'épuration des eaux usées (boues primaires,
secondaires, et éventuellement tertiaires). Cette étape peut être précédée de l'ajout de floculant
organiques de synthèse (polyélectrolytes) ou minéraux (chaux, sels de fer ou d'aluminium),
afin de faciliter la séparation des phases solide et liquide des boues.
L'épaississement consiste à laisser s'écouler les boues par gravitation à travers un silo placé
54
au-dessus d'une table d'égouttage ou d'une toile semi-perméable. Autre technique de
concentration : la flottation, basée sur l'injection de gaz dans les boues, ce qui sépare les
phases liquides et solides par différence de densité. En sortie, les boues sont encore liquides
avec une siccité de 4 à 6 %.
Figure 13: épaississeur des boues
b) La déshydratation:
La déshydratation permet de diminuer la teneur en eau des boues, et d'atteindre en sortie une
siccité allant de 15 à 40%, variable selon la filière de traitement des eaux, la nature des
boues et la technique de déshydratation utilisée. Elle s'opère sur un mélange de boues
primaire, secondaire voire tertiaire.
 La déshydratation mécanique :
Elle s'opère par centrifugation ou par filtration. La centrifugation consiste à séparer l'eau des
boues épaissies par la force centrifuge développée dans un cylindre tournant à grande vitesse.
En sortie, les boues sont pâteuses avec une siccité de 18 à 20 % pour la première génération
d'équipements, et de 20 à 25 % de siccité pour la seconde. Pendant longtemps, cette technique
a surtout concerné les stations de plus de 10.000 EH, aujourd'hui des solutions existent pour
les plus petites [10].
La filtration par filtres à bandes consiste en une compression et un cisaillement des boues
entre deux toiles. Les premiers modèles (à basse et moyenne pression) ne permettaient
d'atteindre que 15 à 17% de siccité. Les modèles plus récents (à haute pression) permettent
d'atteindre jusqu'à 18 à 20%. En sortie, les boues se présentent sous forme de petites plaques.
La filtration par filtres-presses à plateaux (appelés couramment filtres-presses) consiste en une
55
compression des boues entre deux plateaux équipés de toiles filtrantes. En sortie, les boues se
présentent sous forme de « gâteaux » solides avec une siccité de l'ordre de 30 à 35 % (voir
figure 14).
Si la centrifugation permet une déshydratation continue en circuit fermé (automatisé), avec les
filtres-presses elle est discontinue. Avec les filtres à bande, elle se déroule en circuits ouverts
(avec production d'aérosols, composés d'air et d'eau), ce qui oblige souvent à capoter les
équipements pour éviter la dispersion de mauvaises odeurs.
La déshydratation mécanique concerne surtout les grosses stations (plusieurs dizaines ou
centaines de milliers d'EH). Depuis récemment, elle se développe dans les moyennes
installations (de 3.000 à 10.000 EH). Dans les très grosses, il s'agit le plus souvent de filtrepresse (car plus coûteux en investissement et en exploitation), et dans les petites (1000 à 2000
EH) de filtres à bandes. Les filtres à bandes seraient encore les matériels les plus utilisés pour
la déshydratation [10].
Figure 14: la déshydratation par filtration sous pression
 La déshydratation par géomembranes
Cette technique de déshydratation est apparue récemment, avec le développement des
membranes. Les boues sont mises dans des géotubes aux pores minuscules, qui laissent passer
l'eau petit à petit et concentrent les matières. Une fois pleins, ces géotubes contiennent des
boues déshydratées jusqu'à 15 à 25% de siccité. Ils sont alors soit ouverts et les boues
expédiées vers une autre destination, soit transportés tels quels pour un enfouissement en CET
de classe II. Cette solution serait adaptée aux installations de 1.000 à 2.000 EH.
56
c) Le séchage :
Le séchage des boues est une déshydratation quasi-totale des boues par évaporation de l'eau
qu'elles contiennent ; la réduction de volume qui en résulte est conséquente.
 Le séchage thermique
Il repose sur deux méthodes : directe et indirecte. Le séchage direct consiste en une
évaporation des boues par convection, via un fluide caloporteur. Le séchage indirect repose
quant à lui en un échange de chaleur par conduction, via une paroi chauffée par un fluide
caloporteur. En sortie, les boues se présentent sous forme de poudres ou de granulés, avec un
taux de siccité pouvant atteindre 90 à 95 %. Ces deux procédés sont très énergivores : ils
représentent un poste sur lequel il est possible de réduire l'empreinte environnementale de la
filière boue, par exemple en mettant en place des boucles de récupération d'énergie.
 Les lits de séchage
Ce procédé consiste à répartir les boues à déshydrater sur une surface drainante (composée
de plusieurs couches de gravier et de sable de granulométries variables), à travers laquelle
s’écoule l’eau interstitielle. Ces lits de séchages sous mis sous serre pour non seulement tirer
partie du phénomène d’évaporation naturelle, mais l'accélérer par les rayons du soleil. On
parle alors de séchage solaire. Une autre variante de ce procédé consiste à mettre les lits de
séchage sous couvert végétal (roseaux), ce qui permet de s'affranchir des conditions
climatiques. Ce procédé est appelé lits à macrophytes. En sortie des lits de séchage, les
boues sont solides, d'une siccité d'environ 35 à 40 %. Ce procédé de séchage présente
l'intérêt d'être en plus une solution de stockage des boues. Il est particulièrement bien adapté
aux stations d’épuration des collectivités de moins de 5.000 EH.
Figure 15: lit de séchage des boues
57
d) Stabiliser la matière organique
Cela consiste à diminuer le caractère fermentescible des boues et ainsi, notamment, de
supprimer les mauvaises odeurs. Les traitements de stabilisation des boues s'appliquent aux
boues mixtes fraîches ou uniquement aux boues de traitement secondaire des eaux usées. Ils
sont de nature biologique, chimique ou thermique.
 La stabilisation biologique :
Elle s'opère selon deux voies biologiques possibles : aérobie (en présence d'oxygène) et
anaérobie (en l'absence d'oxygène).
La stabilisation aérobie consiste à mettre les boues dans des bassins d'aération dits aussi
bassins de stabilisation aérobie. En sortie, les boues sont dites « aérobies » ou « stabilisées
aérobies ». Le compostage est un mode de stabilisation aérobie des boues, le plus souvent
après déshydratation. Il s'agit souvent d'un traitement de stabilisation biologique
complémentaire, destiné à la fabrication d'un produit : le compost. Cependant, il constitue le
seul mode de stabilisation des boues primaires et secondaires issues d'un traitement physicochimique des eaux usées.
La stabilisation anaérobie concerne surtout les installations de plus de 100.000 EH. Elle
consiste à mettre dans des digesteurs les boues directement issues de la décantation primaire
de la filière de traitement des eaux usées, et à les porter à haute température (de 50 à plus de
100°C) afin d'en éliminer bactéries et virus (voir figure). Stabilisées avec 30 à 60 % de
quantités de matière organique en moins, en sortie les boues sont dites « anaérobies », «
stabilisées anaérobies » ou « digérées ». Elles présentent une siccité pouvant aller au-delà de
20 à 30 %. Ces procédés de digestion anaérobie, appelés aussi méthanisation, s'accompagnent
de la production de biogaz riche en méthane (65%) et en dioxyde de carbone (35%), avec des
concentrations faibles d'hydrogène sulfuré saturé en eau. La récupération et la valorisation de
ce biogaz (sous forme de chaleur, d'électricité, de combustible ou de carburant) représente un
des postes permettant de réduire l'empreinte environnementale de la filière boue [11].
58
Figure 16: digesteur pour la stabilisation de la matière organique
 La stabilisation chimique
La stabilisation chimique consiste à bloquer l’activité biologique des boues en y mélangeant
de la chaux vive, CaO, ou de la chaux éteinte, Ca(OH2). Les doses de chaux sont calculées en
fonction des siccités initiale et finale des boues, dans une proportion de 10 à 50 % de la MS
des boues, ce qui en élève le pH au-delà de 12. En général, cette stabilisation s'opère après
déshydratation des boues. En sortie, les boues sont dites hygiénisées. Cette pratique concerne
en général des stations d'épuration de plus de 15.000 EH. Parfois, la stabilisation chimique
s'opère avec ajout de nitrites à pH acide.
3. Filière Gaz :
Au niveau de la station de traitement des eaux usées, le biogaz suit le cheminement suivant :
Production du
biogaz
Traitement du
biogaz
Stockage
Valorisation du
biogaz
a) Production du biogaz
Le biogaz de la station d’épuration est récupéré au niveau des digesteurs. Il est composé
principalement de méthane CH4 et de dioxyde de carbone CO2. Ce gaz contient également de
l’hydrogène sulfuré H2S, nuisible en général pour les moteurs à gaz, et il est saturé en eau. Il
est produit par un processus de fermentation anaérobie des matières organiques.
b) Traitement du biogaz
Après la production du biogaz au niveau des digesteurs, il subit un traitement afin d’éliminer
les sulfures, cette étape est appelée désulfurisation du biogaz (voir figure 17).
59
Désulfurisation du biogaz : Le sulfure d'hydrogène est typiquement le contaminant qui pose le
plus de problèmes du fait de sa toxicité et de son caractère corrosif pour la plupart des
équipements. De plus, la combustion du H2S émet du dioxyde de soufre SO2, nocif pour
l'environnement car il constitue un puissant gaz à effet de serre. La séparation de l'H2S le plus
rapidement possible est donc recommandée pour protéger les équipements et améliorer la
sécurité. Plusieurs procédés sont envisageables pour réduire cette concentration : la
désulfuration biologique par des bactéries du genre Thiobacillius et par biogaz clean,
adsorption sur charbon actif [12].
Figure 17: Désulfurisation du biogaz
c) Stockage : gazomètre
Le gazomètre a pour rôle le stockage du biogaz afin d’être valorisé en produisant de l’énergie
(voir figure 18).
Figure 18 : gazomètre
60
d) Torchère et soupape
- La soupape: consiste en une étape de sécurité importante qui permet au biogaz de se
dégager hors du système s’il y a un excès de gaz peu important dans les gazomètres.
- La torchère : sert à brûler le biogaz en cas d’excès pour en limiter l'impact sur l'effet de
serre en ne rejetant en théorie plus que du CO2 et de la vapeur qui sont moins impactant sur
l'effet de serre.
Figure 19: torchère de la STEP
e) Valorisation du biogaz
Le biogaz est une source d’énergie renouvelable, toujours disponible. Elle constitue donc une
alternative à la consommation des énergies fossiles. L'ensemble des matières organiques
produit naturellement, lors de sa décomposition, d'énormes quantités de méthane et de gaz
carbonique selon la réaction :
CH4 + 3/2 O2
CO2 + H2O + énergie
Brûler le biogaz issu de la méthanisation réduit de 20 fois la pollution des gaz issus de la
fermentation. De plus, la méthanisation des boues d'épuration, permet d'éliminer les odeurs
liées à leur traitement habituel. Autrement dit la méthanisation est synonyme d'une plus
grande autonomie énergétique pour la STEP puisqu’elle couvre ses besoins en électricité ainsi
qu’en chaleur grâce à une cogénération (voir figure 20). L’électricité produite sera donc
directement utilisée sur le site et la chaleur récupérée servira, soit pour le réchauffage de
digesteurs, soit pour les besoins du bâtiment d’exploitation [12].
61
Figure 20: Le Co générateur
4. Avantage et inconvénient du traitement par boue activé :
Ce tableau présente les principaux avantages et inconvénients de la technique de traitement
des eaux usées par les boues activées.
Tableau 2 : Avantages et inconvénients de la technique de traitement par les boues activées
Avantages

Inconvénients
Excellente qualité de l’eau épurée (du

point de vue abattement de la matière
Nécessité de limitation stricte du débit
maximum admissible en traitement
organique)

Grande consommation d’énergie

Surfaces occupées très faibles

Production des boues élevée

Possibilité d’élimination d’une quantité

Abattement limité des germes pathogènes
très importante d’azote

et parasites
Élimination possible du phosphore par

Besoins en main d’œuvre très qualifiée
voie chimique

Nécessité d’une bonne exploitation, voire

Absence totale d'odeurs et de mouches.

Obtention des boues stabilisées
d’une surveillance permanente

Cout d’investissement et d’exploitation
élevé
62
5. Les différents types de dysfonctionnement d’une station d’épuration à
boue activé
Les principaux dysfonctionnements rencontrés au sein d'une station d'épuration à boue activé,
outre ceux liés à la maintenance des équipements, sont de nature biologique. Ces problèmes
sont principalement dus aux bactéries filamenteuses et se manifestent sous deux formes :
-
Le foisonnement filamenteux : mauvaise décantation des boues suite à une augmentation
du volume occupé par celle-ci
-
Le moussage : formation d’une couche épaisse de mousse en surface des ouvrages. Les
causes sont bien souvent d’origines multiples (conception, exploitation, composition de
l’effluent…) et le choix des solutions nécessite une analyse globale : conception,
fonctionnement et exploitation de la station.
Ces deux types de dysfonctionnement touchent près de 50 % des stations d'épuration à boues
activées. Ils peuvent avoir de graves répercussions sur la qualité des effluents rejetés dans les
milieux aquatiques et sur la gestion économique des stations [13].
a) Le foisonnement filamenteux ou bulking :
Le phénomène de foisonnement est dû à un développement filamenteux excessif. Il limite
fortement les capacités hydrauliques du clarificateur, et peut entraîner des départs de boue
vers le milieu naturel. En effet dans le cas d'une prolifération massive, les filaments vont avoir
tendance à sortir des flocs aboutissant à un pontage des flocs entre eux (voir Figure 21). Ceci
va provoquer une diminution de la densité des boues par rapport à celle du liquide interstitiel,
et les boues ne décanteront plus ou mal.
a)
b)
Figure 21: a) floc à l'état "normal" b) floc lors d'un phénomène de bulking
63
Ce phénomène est souvent associé à une détérioration de la qualité du rejet de part la présence
de MES, et de l'azote et du phosphore associés. Les boues ne décantent pas ou mal, et vont
être rejetées dans le milieu naturel avec l'effluent. Dans les cas extrêmes, les boues vont
même aller jusqu'à sortir des bassins (voir figure 22)
a)
b)
Figure 22 : a) Phénomène de bulking dans un bassin d'aération. b) Cas extrême de sortie de boue hors
des bassins
La plupart des stations d’épuration par boues activées sont sujettes à des dysfonctionnements
provoqués par des épisodes de foisonnement filamenteux, qui pouvant aboutir à un rejet de
boues dans le milieu naturel. Dans un certain nombre de cas, cet événement va conduire à une
mise hors service plus ou moins longue de la station.
b) Les mousses biologiques :
Les stations d'épuration par boues activées sont sujettes à différents types de moussage on
peut citer :
-
Mousses de démarrage
-
Mousses à tensio – actifs
-
Mousses de dénitrification
-
Mousses biologiques stables
 Les mousses de démarrage
Ces mousses blanchâtres et légères se développent rapidement dès la mise en service de la
station d’épuration. (Voir figure 23)
64
Ce problème peut également survenir lors d’un incident majeur : arrivée d’un toxique ayant
provoqué la destruction d’une part importante de la biomasse. En règle générale, la situation
se normalise rapidement (une à deux semaines) à l’exception des cas les plus graves (toxicité
aiguë) où les difficultés peuvent perdurer.
Figure 23: Mousse blanche de démarrage en surface de bassin d’aération.

Mousses à tensio - actifs :
L'utilisation massive de détergents, même biodégradables, les apports importants de matière
organique colloïdale ou d'hydrocarbures sont susceptibles d'engendrer un moussage en surface
des bassins assurant le traitement. S'il s'agit d'apports ponctuels, le phénomène peut être limité
dans le temps, mais il peut aussi perdurer et provoquer à terme l'apparition de mousses
biologiques stables. (Voir figure 24) [14].
Figure 24: Mousse blanche de détergents en surface de bassin d’aération
65

Mousses de dénitrification :
La transformation de l'azote ammoniacal en nitrates est possible dans les stations d'épuration à
boues activées fonctionnant dans le domaine des faibles charges massiques. La présence de
nitrates dans les boues en phase de décantation est fréquemment à l'origine de l'amorce d'un
phénomène de dénitrification. Cela se traduit par la libération de microbulles d'azote qui
abaissent la densité apparente des boues et favorisent leur flottation, en particulier dans le
décanteur secondaire (voir figure 25). Les flottants qui en résultent sont généralement
instables, rabattables au jet (ou par la pluie). L'optimisation des paramètres de fonctionnement
de la station (aération, recirculation, ...) permet de faire cesser ces phénomènes à condition
que le dispositif d'aération puisse être arrêté pendant une durée totale journalière de l'ordre de
8 à 10 h, dans le cas d'effluents domestiques
Figure 25: Flottants de dénitrification en surface du clarificateur

Mousses biologiques stables :
Les mousses biologiques forment des amas de flottants très stables en surface des bassins
assurant le traitement. Elles sont visqueuses, épaisses, le plus souvent de couleur marron clair
à foncé. Le fonctionnement des aérateurs ne les détruit pas, elles sont repoussées sur les côtés
du bassin puis elles reforment rapidement un tapis de flottants en absence d'agitation. Dans les
bassins de stabilisation aérobie, elles stagnent en surface, voire se concentrent sans que l'on
observe de réduction notable de leur volume en fonction du temps. Cette première
caractérisation visuelle (macroscopique) du phénomène n'est cependant pas suffisante pour
66
entreprendre une action rationnelle quant à l'élimination de ces mousses. Elle doit être
complétée par une observation microscopique.
Figure 26: Mousse biologique en surface de bassin d’aération
Alors la connaissance de ces différents types de dysfonctionnement biologique d’une station
d’épuration reste un moyen efficace pour identifier les causes et par la suite de trouver les
solutions ou bien les actions adéquates afin d’assurer le bon fonctionnement de la station [15].
6.
Méthodes de lutte contre le dysfonctionnement de la station
d’épuration :
a) Action préventive :
Devant la complexité des problèmes relatifs au foisonnement et face à la diversité des options
techniques qui peuvent être utilisées, une démarche pragmatique est nécessaire. Elle doit
s’appuyer sur les données techniques recueillies dans le cadre d’une étude préalable
comprenant deux phases principales :
-
Caractérisation précise du problème (diagnostic du foisonnement, type de filaments…).
Cette caractérisation permet d’éviter par exemple, la confusion entre foisonnement et
d’autres mécanismes (par exemple : dénitrification…). De plus, une identification précise
du filament oriente la recherche du ou des facteurs déclenchant son développement.
-
Étude approfondie de la station afin de mettre en évidence les origines supposées du
phénomène et d’éventuels facteurs aggravants (conception, paramètres d’exploitation,…).
Alors avant toute action curative une vérification de l’ensemble des paramètres clés doit être
réalisée (oxygénation, charge massique, taux de recirculation, temps de séjour dans les
67
ouvrages, puissance d’agitation,..). Les valeurs classiques de fonctionnement d’une station
d’épuration type boue activé sont les suivantes :
 MES inférieures à 4 g/l et stabilité de la charge massique
 Évacuation des flottants de tous les ouvrages
 Contrôle et évacuation d’éventuels dépôts
 Taux de recirculation des boues: proche de 150 % du débit d’entrée
 Teneur en oxygène dissous supérieure à 1 mg/l (traitement du carbone) et supérieure à
2 mg/l (traitement de l’azote)
 Temps d’arrêt de l’aérateur inférieur à 2 heures consécutives
 Zone de contact bien gérée (temps de séjour,…)
b) Actions curatives
 Contre les bactéries filamenteuses :
La méthode la plus durable pour éviter les bactéries filamenteuses est bien sur de déterminer
la cause de leur explosion. Cependant il n'est pas toujours aisé de savoir quel est le facteur
responsable, d'autant que, bien souvent, plusieurs facteurs se combinent. Une fois la source du
trouble localisée il n'est pas toujours facile d'y trouver un remède à un coût acceptable. A
cause de ces limites technico-économiques il est assez fréquent de soigner les effets plutôt que
les causes.
Deux techniques sont couramment utilisées, elles font appel soit à des agents toxiques (chlore
et dérivés), soit à des agents floculant (sels de fer, chaux, ou autre floculant industriels) [13].
 Le chlore et ses dérivés :
L’ajout de chlore (le plus souvent sous forme d’hypochlorite de sodium) à des doses
contrôlées permet de limiter la croissance des bactéries filamenteuses. Cette solution nécessite
un suivi particulièrement attentif, le chlore étant toxique pour l’ensemble des
microorganismes (dont les bactéries nitrifiantes). Cette solution, toujours efficace lorsqu’elle
est bien conduite, doit cependant être réservée aux installations qui peuvent bénéficier d’un
suivi renforcé pendant la période de traitement
 Les agents floculant (Sels de fer et d'aluminium) :
Ils ont une triple utilité. Ce sont des coagulants qui déchargent électriquement les colloïdes
donc permettent de rapprocher les particules et favorisent la décantation. Ils précipitent les
phosphates et les sulfures dans les boues. En bloquant les sulfures de l'effluent brut ou des
boues en anaérobiose, ces réactifs suppriment le substrat préférentiel de certaines bactéries
68
filamenteuses. Il se pourrait aussi qu'agissant sur la disponibilité du phosphore, les réactifs
affectent le métabolisme et diminuent ainsi la résistance des bactéries filamenteuses.

Contre les mousses biologiques :
Les mousses biologiques qui touchent les boues activées impliquent un surcoût d'exploitation
(débouchage des canalisations de retour en tête des flottants - nettoyage des débordements…),
constituent un facteur de démotivation des exploitants et conduisent à une dégradation de la
qualité de l'effluent épuré. Le moussage est favorisé par l'accumulation dans le réacteur
biologique d'acides gras volatils ainsi que par la production de produits tensioactifs. L'ajout
d'additifs chimiques du commerce agissant sur les tensioactifs par précipitation des colloïdes
et des lipides saponifiés empêche la formation de la mousse. Leurs modes d'action complexes
sont toutefois rarement communiqués par les producteurs, des essais préalables sont
nécessaires pour choisir celui qui convient le mieux. En vertu de son coût élevé ce traitement
ne sera appliqué qu'à des situations très particulières ou en dernier recours (mise en service de
nouvelles installations, traitement forte charge) [16].
7.
Conclusion
Dans le contexte actuel de la politique de gestion durable des ressources en eau, la prédiction
du risque de pollution et la protection de ces ressources sont d’une importance capitale. Pour
cela, la sauvegarde, à moyen et à long terme, de la qualité de ces ressources s’impose.
Le développement industriel au Maroc a rendu cette situation préoccupante pour tous les
intervenants socio-économiques. En effet, cette croissance économique est marquée, ces
dernières années, par l’implantation des usines et des chantiers de réparation qui déversent
leurs rejets liquides dans les cours d’eau. Parmi ces industries qui génèrent des eaux usée on
trouve les huileries comme nous avons cité avant, ces rejets risquent de déstabiliser l’équilibre
environnemental dans les années à venir, d’où la nécessité de prendre en charge le traitement
de toutes sources de pollution.
La dépollution de ces rejets nécessite plusieurs étapes de l’identification des différents
polluants jusqu’à leurs traitements par des stations d’épuration. Une étude de cas sur le
traitement des eaux usées d’une industrie agro-alimentaire sera abordée dans le chapitre
suivant.
69
PARTIE III :
Description et diagnostic de la station de
traitement des eaux usées de LESIEUR CRISTAL
70
Introduction
Après avoir détaillé les différentes opérations et phases des cycles de transformation des
huiles et principalement, les matières premières utilisées depuis leurs extractions jusqu’à leurs
traitements, générant des produits sous forme de rejets polluants accompagnés durant toutes
les étapes, pour en minimiser le taux de la pollution à un seuil respectant les normes
préconisées pour la société LESIEUR CRISTAL, notre effort de recherche dans cette partie
sera par conséquent axé sur la station d’épuration, donc le but de cette partie est de faire une
description détaillée de la station d’épuration de la société LESIEUR CRISTAL à savoir
l’origine, quantification des effluents, et les filières de traitement de la station, afin de faire
une étude d’optimisation du traitement et de proposer des améliorations à l’échelle de la
STEP.
71
Chapitre 1 : Présentation de la station de traitement
des eaux usée de Lesieur cristal
I.
Situation géographique :
La station de traitement des eaux usées de la société de Lesieur cristal a été réalisée en juin
2004 en collaboration avec le ministère d’eau et d’environnement et LPEE. Elle a pour but de
collecter les eaux usées, puis de les épurer, avant de pouvoir les rejeter dans le milieu naturel
sans risquer de polluer l’environnement.
Cette station de traitement des eaux polluées de Lesieur cristal se situe au cœur de l’usine à
15 km de la ville de Casablanca (Voir figure 27). Elle occupe une superficie globale de 1
hectare avec une capacité de traitement 1000 m3/ jour. C’est une grande installation dont le
coût est de l’ordre de 20 millions de DH.
STEP LC
Figure 27 : situation géographique de la STEP de Lesieur cristal
72
II.
Historique de la STEP
En raison des problèmes liés à l’environnement, Lesieur Cristal est appelée aujourd’hui à
adopter une stratégie de production basée sur une bonne gestion de l’environnement,
notamment si elle souhaite accéder à une reconnaissance officielle (ISO 14001 ou éco audit).
Cette gestion globale de l’environnement passe obligatoirement par une gestion des effluents
liquides responsables de la pollution des eaux, des déchets solides, des rejets gazeux à
l’origine de la pollution de l’air.
Dans le même chemin Lesieur cristal a pris l’initiative de créer une station de traitement des
eaux usées à l’usine d’AIN HARROUDA. La conception de ce système a été réalisée par
NIJUIS WATER TECHNOLOGIE (Société hollandaise) en collaboration avec Lesieur cristal
et la LYDEC.
L’importance de l’environnement en générale et de l’eau spécialement dans la politique de
notre société sont parmi les facteurs essentiels qui ont poussé Lesieur cristal à participer dans
cette collaboration.
La station de traitement des eaux usées a été mise en place suite aux exigences LYDEC qui
imposent des normes à respecter avant de jeter les effluents traités.
La STEP met en œuvre des procédés de séparation et d'élimination totale ou partielle des
matières polluante (soit en suspension, en solution ou bien dissoute). [17]
III.
Objectif de la STEP
La réalisation du grand projet de traitement des eaux industrielles rejetées par les installations
de production de l’usine Lesieur cristal AIN HARROUDA s’inscrit dans le cadre de la
gestion intégrée des ressources en eau, la protection de l’environnement, la rationalisation et
l’économie des richesses naturelles en général. Parmi ces objectifs on cite :
1. Objectif environnemental
 Élimination des rejets dans le milieu naturel d’eau usée à l’état brute,
73
 Respecter les valeurs limite des rejets liquides fixés par la LYDEC (voir tableau 3)
[18].
Tableau 3 : Valeur limite des rejets liquides
DCO (mg/l)
DBO5 (mg/l)
MES (mg/l)
Huiles et graisses
(mg/l)
Norme LYDEC
1200
500
500
0
 Sauvegarde des ressources en eau
 Élimination des nuisances olfactives
2. Gestion des ressources en eau
 Sauvegarde des ressources en eau conventionnelles,
 Protection des ressources contre la pollution.
 Protection des nappes souterraines du danger de contamination par les constituants
d’une eau usée non traitée
74
Chapitre 2 : Présentation des principaux rejets de
Lesieur cristal
I.
Nature des effluents entrant à la STEP
Deux types de réseau d’eau usée ont été mis en place lors de la construction de l’usine. Il
s’agit du réseau d’eau usée de l’activité de cassage de pate et le réseau d’eau de process.
1. Les eaux usées de l’activité cassage de Pâte :
La pâte extraite au cours de l’étape de la neutralisation est traitée avec de l’acide sulfurique
(H2SO4) pour récupérer l’acide gras ce dernier est utilisé pour la fabrication des savons selon
la réaction suivante :
Pâte
+ H2SO4
Acide gras + Déchet + Eau (rejet)
Les rejets de l’atelier de cassage de pâte sont envoyés à la station de traitement des eaux
usées ce sont des rejets un peu marron très acides.
2. Les eaux de Process :
Dans cette catégorie on a les rejets de savonneries et de raffineries :
a) Les rejets de savonneries (La lessive):
Durant le process de la saponification est plus précisément durant l’étape de lavage du savon
l’eau est utilisé dans la colonne de lavage pour éliminer les impuretés du savon puis cette eau
(lessive) sera éliminer par la suite par un séparateur pour être envoyé à un bac de stockage de
la lessive puis vers la station. Ces rejets sont très basiques et riches en matières en suspension.
b) Les rejets de la raffinerie :
Ces eaux issues de l’étape de séparation d’eau de l’huile neutralisée pour 3 lignes de
production de l’huile raffiné. Ils sont très riches en huiles et en matière grasse et présentant
une coloration jaunâtre. Ces eaux sont collectées au niveau d’un chaudron puis envoyé vers la
station.
II.
Détermination des débits des différents rejets liquides de l’usine :
Pour évaluer l’efficacité de traitement de la station d’épuration des eaux usées il est
indispensable de connaitre les débits horaires et journaliers des rejets de chaque unité de
l’usine.
75
Les consommations moyennes d’eaux dans l’usine et les débits rejetés sont données dans les
tableaux suivant :
 Au niveau de l’atelier de raffinerie :
Tableau 4 : les rejets liquide de raffinage
Rejets liquides de raffinage
Débit m3/j
Les eaux de nettoyage des lignes II, III et IV
Les eaux de lavages des lignes II, III et IV
La pompe à vide des eaux de la ligne III
Débordement de la tour de refroidissement
9
166
120
300
 Au niveau de l’atelier de savonnerie :
Tableau 5 : les rejets liquide de savonnerie
Rejets liquides de savonnerie
Débit m3/j
Lessive + les rejets de chaudrons
60
Les eaux de nettoyage
9
Débordement de la tour de refroidissement
300
 Au niveau de l’atelier de cassage des pâtes :
Le débit des eaux usées au niveau de cet atelier est : 36 m3/j
 Diagnostic des différents rejets des ateliers de production de la société Lesieur
Cristal permet de quantifier le débit journalier reçus à la station d’épuration qui est
de l’ordre de : 1000 m3/j
76
Chapitre 3 : les composantes de la station de
traitement des eaux usées de Lesieur Cristal
Le traitement des eaux usées industrielle a pour but de les dépolluer suffisamment pour
qu'elles n'altèrent pas la qualité du milieu naturel dans lequel elles seront finalement rejetées.
Afin de répondre aux exigences des lois Marocaines, concernant les eaux usées industrielle,
Lesieur cristal a mis en place une station de traitement par boues activées afin de réduire la
pollution organique, et la matière grasse. (Voir figure 28)
Figure 28 : schéma de la station de traitement des eaux usée
Au niveau de la station d’épuration de Lesieur cristal, le traitement porte sur deux filières :
filière eau et filière boues.
77
I.
Filière eau :
La filière eau représente les différentes étapes de traitement des eaux usées depuis leur entrée
à STEP jusqu’à leur sortie. On distingue : le prétraitement, le traitement primaire, le
traitement secondaire et le traitement tertiaire
1. Le prétraitement :
Le traitement primaire comprend un certains nombres d'opérations mécaniques et physiques
qui ont pour but d'éliminer les éléments dont la nature est solide et les dimensions sont les
plus grossiers sont susceptible de gêner les traitements ultérieures ou d'endommager les
équipements.
a) Dégraisseur de cassage de pate :
Le dégraisseur de cassage de pate constitue la première étape de traitement des eaux usées,
issus de l’activité de cassage de pate.
Il permet
l’extraction des graisses qui sont
difficilement biodégradables. A cause de leur densité inférieure à celle de l’eau, les graisses
seront flottées à la surface des eaux. Ces graisses seront éliminées et pompés vers la cuve de
stockage de la matière grasse, puis seront envoyées après décantation à l’atelier de cassage de
pâtes.
Figure 29 : Dégraisseur de cassage de pate
78
b) Bassin de collecte des eaux
Les eaux usées c’est-à-dire les eaux de cassage de pâte et les eaux de process (eaux de lavage
de raffineries et la lessive) sont transmises vers un bassin de mélange situé en amont de la
station par le biais d’un canal souterrain. Ce bassin de mélange est équipé d’une vanne pour la
régulation de pH de débits d’entrée par l’ajout de l’acide sulfurique pendant les périodes ou le
rejets contient un débit énorme en lessive étant donné que toute augmentation du pH de débit
d’entrée va engendrer un dysfonctionnement et entraver l’efficacité du traitement.
Figure 30 : Bassin de collecte
c) Dégraisseur
Le dégraissage est une opération purement physique consiste à une séparation des huiles et
des graisses qui sont un peu soluble dans l’eau et de densité inférieure à celle de l’eau. Ces
produits (huiles et graisses) flottant (grâce à la différence de densité) sont éliminés et pompés
vers la cuve de stockage des matières grasses qui sont envoyées après décantation à l’atelier
de cassage de pâtes (rôle économique de la station)
79
Figure 31 : Dégraisseur
d) Déshuileur :
Ce procédé consiste à limiter au maximum la quantité des huiles et des graisses dans les
ouvrages en aval pour éviter par exemple un encrassement des ouvrages, notamment des
canalisations. Les huiles flottant à la surface seront racler vers les trémies ou elles seront
aspiré par une pompe vers une cuve de stockage des graisse
Figure 32 : Déshuileur
80
e) Bassin tampon :
Ce bassin tampon de capacité 500 m3, a pour rôle d’homogénéisé et neutraliser les eaux usées,
c’est-à-dire en retenant l’ensemble des l’effluents qui s’écoulent en une journée, il permet
d’obtenir un effluent parfaitement homogénéisé (c’est-à-dire ayant des qualités constantes),
mais aussi de réguler le débit et le ph à une valeur constante.
Figure 33 : Bassin tampon
Une fois le prétraitement est achevé, les eaux prennent chemin vers le traitement
primaire
2. Traitement primaire
Du bassin tampon, l’eau est pompée vers un bassin de collecte puis vers un bassin 101 de
capacité 7m3, où s’installent deux pompes immergées évacuant l’eau vers l’unité de flottation
a) Unité de flottation :
Dans la première unité de flottation, les particules qui possèdent une densité inférieure à celle
de l’eau remontent et forment une couche flottante en haut de l’unité de flottation qui est
asséchée et raclée par un système rotatif composé par des racleurs sous l’effet d’aération
(création des micro– bulles).
Dans la même unité, les particules lourdes de diamètre supérieur à 0.2mm sédimentent et se
récupèrent dans les cônes situés en partie basse à l’entrée et à la sortie de l’unité.
Puis s’évacuent par des vannes manuelles vers un bassin de stockage des boues.
81
L’eau traitée physiquement est déversée dans un bassin 201 de capacité 300m3 puis vers unité
de coagulation floculation
Figure 34 : Unité de flottation
b) Unité coagulation floculation :
Cette étape de traitement consiste à éliminer les matières en suspension (MES) et les matières
colloïdales qui sont responsables de la couleur et la turbidité de l’eau.
On note également que l’énergie de mélange est obtenue par turbulence dans les tuyauteries
en serpentin (pour mieux gagner de l’espace) de différents diamètres servent à augmenter le
maximum possible la surface de contact entre les réactifs injectés pour assurer une efficacité
supérieure de ce traitement.
Ce mélangeur ou bien serpentin est muni par plusieurs injections :
-
La coagulation et la neutralisation des charges négatives qui se font à l’aide d’un
coagulant d’origine minérale FeCl3 40% et pour favoriser leurs agglomérations, on injecte
un floculant organique qui se caractérise par un poids moléculaire élevé.
On note également que la réaction produite dans le mélangeur (le serpentin) se poursuit dans
la tuyauterie jusqu’à l’obtention d’un floc uniforme que l’ont peut racler vers les trémies puis
l’envoyé vers le bassin de stockage des boues.
Cette réaction de coagulation -floculation n’aura lieu qu’avec pH entre (5,5-8,5)
L’eau traitée quitte l’unité vers un bassin 301 de capacité puis vers le bassin biologique.
82
L’aspect de l’eau à la sortie physique- chimique est clair mais elle contient encore des
matières organiques biodégradables qui ne peuvent être éliminées qu’avec des microorganismes (traitement biologique).
Figure 35 : Unité de coagulation floculation
3. Le traitement secondaire :
Ce traitement a pour but l’élimination des agents polluants présents dans les eaux usées à
savoir la pollution carbonée biodégradable.
Ce genre de traitement consiste à mettre en contact l’eau usée avec une biomasse épuratrice
qui est en fait un écosystème simplifié et sélectionné ne faisant appel qu’à des microorganismes, elle est constituée des êtres vivants de petites tailles (inférieur au millimètre),
microflore de bactéries et microfaune d’animaux protozoaires.
La dégradation des matières organiques se réalise naturellement par des processus aérobies
(Présence d’oxygène). Elle consiste à dégager les impuretés grâce à l’action de la biomasse
dont les bactéries digèrent la matière organique à condition de régler l’oxygène dissous dans
l’eau et la concentration de la biomasse dans notre station.
On utilise le système des boues activées qui est une reconstitution industrielle du phénomène
d’auto- épuration naturelle.
a) Bassin d’aération
L’opération se fait dans deux grands bassins 5000 m3 où les conditions opératoires sont
minutieusement définies pour que le travail des bactéries soit optimal et beaucoup plus rapide
que dans la nature ou dans la lagune.
83
Figure 36: Bassin biologique
b) Bassin SBR :
C’est la dernière étape de traitement des rejets liquides, La clarification se fait dans un
ouvrage circulaire de capacité 1500 m3 équipé d’un système d’aération. Dans ce bassin
s’effectue la séparation par décantation des flocs biologiques issus des bassins d’aération ces
flocs seront pompés et envoyé vers le bassin de stockage des boues. Les eaux clarifiées qui
sortent des bassins ne sont plus nocives et peuvent être déversées sans aucun souci dans le
réseau de la LYDEC.
Figure 37 : Clarificateur
84
II.
Filière boues :
Les différents types des boues extraites au cours de différentes étapes de traitement :
-
Boues physiques : toutes les boues qui sont extraites au niveau de l’unité de flottation.
-
Boues physico-chimiques : ce sont des boues extraites après la coagulation
floculation
-
Boues biologiques : ce sont des boues extraites après le traitement biologique
bactérien.
Le mélange des boues précédentes est récupéré dans le bassin des boues, après, les boues
sont envoyées vers un filtre presse qui fait appel à l’utilisation d’un floculant (le polymère
cationique) afin de les déshydrater. Après la déshydratation les boues seront envoyées vers la
chaudière pour être utiliser comme source d’énergie.
Figure 38 : Presse à boue
III.
La comparaison de la STEP LC par rapport à la bibliographie
En comparant la station de traitement des eaux usées de Lesieur cristal à la bibliographie on
remarque que :

Filière eau : Concernant cette filière la station de Lesieur a les mêmes composantes de
prétraitement, traitement primaire et secondaire d’une station en général de traitement
des eaux usées. Par contre il y’a absence d’un traitement tertiaire.
85

Filière boues : Les principales étapes du traitement des boues dans les stations
d'épuration des eaux usées sont : l’épaississement, la déshydratation, le séchage, et la
stabilisation de la matière organique. Alors que dans la station de Lesieur il y’a juste le
traitement des boues par la déshydratation.

Filière gaz : dans la station de Lesieur il y’a absence d’une filière de traitement des gaz
Conclusion
En conclusion, le principe de l’épuration de la station de Lesieur cristal par boues activées, est
de transformer la pollution contenue dans les eaux usées sous forme de boues biologiques que
l’on pourra séparer de l’eau épurée au niveau du clarificateur.
Afin de déterminer les performances de la station d’épuration on va réaliser un suivi de la
qualité physico-chimique des eaux usées pour détecter par la suite les dysfonctionnements au
niveau de la station.
86
PARTIE IV :
Échantillonnage, analyse et suivi de la qualité
physico-chimique des eaux usées de Lesieur
cristal
87
Introduction
La caractérisation des rejets liquides industriels nécessite la prise en considération d’un
ensemble d’éléments dont le choix des stations d’échantillonnage, la fréquence des
prélèvements, le mode d’échantillonnage, la durée de l’opération, la période d’intervention et
les déterminants de la qualité. Ces éléments sont à la base de toute opération de
caractérisation des eaux usées et du milieu récepteur. Cependant, en l’absence de procédure
normalisée, la définition et le choix de ces éléments changent d’un opérateur à un autre.
Alors au cours de cette partie, on va procéder au prélèvement et à l’échantillonnage afin
d’analyser l’eau usée brute (c’est-à-dire les rejets de savonneries, cassage de pate, de
raffineries et le mélange) et épurée par la station d’épuration de Lesieur cristal. L’analyse
effectuée touche les paramètres physicochimiques dans le but d’apparaitre les lacunes qui
peuvent exister dans la STEP concernée
88
Chapitre 1 : Échantillonnage et analyse des eaux
usées de Lesieur cristal
Le traitement efficace d’un rejet liquide nécessite précédemment une bonne connaissance de
la quantité, la qualité et les variations temporelles de la composition de l’effluent. Donc pour
caractériser les rejets de l’usine nous avons réalisé les points suivants :
I.
Échantillonnage :
Les principaux aspects dont il faut tenir compte pour obtenir un échantillon d’eau
représentatif sont les suivants :
-
La sélection convenable du point d’échantillonnage.
-
Le strict respect des procédures d’échantillonnage.
-
La conservation adéquate de l’échantillon.
1. Prélèvement de l’eau à analyser :
Au cours de notre étude, le prélèvement se fait dans quatre points différents en amont de la
STEP de Lesieur cristal afin de déterminer une caractérisation des rejets de l’usine :
 Bac de stockage des rejets de la raffinerie
 Bac de stockage des rejets de la savonnerie
 Égouts contenant les rejets de l’unité de cassage de pate
 Entrée de déshuileur
2. Conservation et transport des échantillons
Toutes les eaux, et en particulier les eaux industrielles sont susceptibles de se modifier plus ou
moins rapidement par suite de réactions physiques, chimiques ou biologiques qui peuvent
avoir lieu entre l’instant du prélèvement et celui de l’analyse.
Ces échantillons d’eau brute ont été prélevés dans des bouteilles plastiques puis transportés au
laboratoire pour déterminer leur caractéristique physico-chimique.
II.
Analyses physico-chimiques :
Afin de déterminer la composition de rejets de chaque unité de l’usine de Lesieur cristal nous
avons réalisé des analyses physico-chimiques tel que [19]:
89
 La température
La température est un paramètre physique de l’eau jouant un grand rôle dans la solubilité des
gaz dans l’eau et sur la vitesse des réactions chimiques et biochimiques.
La mesure de la température a été effectuée par l'utilisation d'une sonde thermométrique qui
est trompée soigneusement dans la prise d'essai. La lecture est faite après stabilisation du
thermomètre
 Le pH
Le pH est un indicateur de la pollution, il varie selon les rejets des effluents contenant des
alcalins ou des acides minéraux ou organiques. Le pH a été mesuré à l’aide d’un pH-mètre
 Mesure de la turbidité
C’est un paramètre, qui varie en fonction des composés colloïdaux ou aux acides humiques
mais aussi pollutions qui troublent l’eau. On mesure la résistance qu’elle oppose par l’eau au
passage de la lumière pour lui donner une valeur :
-
NTU < 5 → Eau claire
-
NTU < 30 → Eau légèrement trouble
-
NTU > 50 → Eau trouble.
 Les MES
La présence des MES dans l’eau provoque sa turbidité. Pour le dosage des MES, nous avons
utilisé la méthode par filtration. Le filtre est séché à 105°C puis pesé après refroidissement.
Le taux des MES exprimé en (mg/l) est donné par l'expression :
MES= (M0 – M1)1000/V
Où
V : Le volume en ml d'échantillon utilisé
M0: La masse en mg du filtre avant utilisation
M1 : La masse en mg du filtre après utilisation
 La demande biochimique en oxygène (DBO5)
La détermination de la DBO5 consiste à mesurer la consommation d’oxygène par voie
biologique à température constante de 20°C, pendant un temps limité, par convention à 5
jours et à l’obscurité à l’aide d'un système de mesure
90
 La demande chimique en oxygène (DCO)
La demande chimique en oxygène est déterminée par la méthode d’oxydation moyennant le
bichromate de potassium. Au milieu acide, en présence du sulfate d’argent et de sulfate de
mercure, les matières oxydables sont oxydées. L’excès est dosé par le sel de Mohr en
présence de la féroïne
 Phosphore total (PT)
L’analyse de phosphore total se fait par spectrophotométrie d’adsorption atomique qui est
basée sur le principe que les atomes libres peuvent absorber la lumière d’une certaine
longueur d’ondes. L’absorption de chaque élément est spécifique, aucun autre élément
n’absorbe sa longueur d’ondes
 Le Phénol
Dans les eaux usées, les phénols proviennent principalement des raffineries, des industries
chimiques et pétrochimiques ainsi que des déchets domestiques. L’analyse de phénol se fait
par spectrophotométrie
 Détergents
L’analyse des détergents se fait par spectrophotométrie d’adsorption.
 Les nitrates et nitrites
La détermination des nitrates dans les rejets industriels se fait selon la méthode préconisée par
Rodier, dite méthode au salicylate de sodium. En présence de ce réactif, les nitrates
transforment en acide nitrosalycitrique caractéristique d’une coloration jaune en milieu
basique. L’analyse se fait par spectrophotomètre UV visible à 415 nm.
La détermination des nitrites consiste à faire une diazotation en milieu acide de la
sulfanilamide (C6H8O2N2S) en présence de dichlorures de N-(1-naphtyl) éthylènediamine.
La solution obtenue est un complexe de couleur rose dosé par spectrophotomètre à 540 nm.
91
III.
Caractérisation physico-chimique des rejets :
Lessive
Cassage de Pate
Raffinerie
Entrée Station
Figure 39 : Rejets de Lesieur cristal
En suivant les protocoles expérimentaux de la détermination des paramètres de la pollution
on a pu analyser les rejets du l’usine. Le tableau suivant donne les résultats de l’analyse des
effluents liquides :
Tableau 6 : Caractérisation des rejets de Lesieur cristal
Rejets de
Rejet de
Rejets de
Rejets global
Cassage de
raffineries
savonneries
(Eaux Entrées station)
Pâte
(Lessive)
Turbidité NTU
>1000
>1000
>1000
>1000
Température °C
52
50
41
33
pH
1,01
9,83
12,6
3,26
MES (mg/l)
39524
21580
29073
11393
DCO (mg/l)
1191114
39933
125592
76800
Phosphore total (mg/l)
2,4
12,3
3,48
6,56
Nitrite (mg/l)
0,23
1,12
4,06
4,57
Nitrate (mg/l)
3,7
9,4
4,4
3,8
Phénol (mg/l)
8,2
10,16
6,78
9,33
Détergents (mg/l)
0,3
2,3
1,04
1,8
92
Ce tableau donne une idée sur la qualité des eaux usées de l’usine on remarque que ces eaux
sont très turbides, très chargées en matières en suspensions, phosphore et azote totale. La
qualité physico-chimique de ces eaux varie en fonction de la production de l’usine. Le rejet de
cette charge polluante à l’égout présent certainement des nuisances potentielles pour le milieu
récepteur. Donc On doit réaliser un suivi du processus de traitements des rejets de l’usine afin
de savoir l’efficacité de traitement de la station d’épuration.
93
Chapitre 2 : Suivi de la qualité physico-chimique des
eaux usées de Lesieur cristal
La Station de traitement des eaux usée de Lesieur cristal réalise quotidiennement des divers
analyses des différents paramètres tel que : le pH, la demande chimique en oxygène (DCO), la
matière en suspension (MES) et la matière grasse (MG) qui permettent le suivi du
fonctionnement du traitement des eaux à épurées. On se basant sur les analyses du mois
février 2016 on a pu dresser les graphes suivants :
I.
Suivi de la pollution moyenne journalière des ateliers de production
(savonnerie, cassage de pâtes, raffinage)
1. pH :
Evolution du pH en fonction du temps
14
12
Eaux
Savonneries
8
Eaux Cassage
Pate
pH
10
Eaux Process
6
Eaux
Raffineries
4
2
0
1 2 3 4 5 7 8 9 10 11 13 15 16 17 18 19 20 22 23 24 25 26 27 29
Temps (jour)
Figure 40: Courbes de variation du pH des effluents en fonction du temps
D’après la figure on remarque que le pH des rejets est variable d’une unité à autre :
-
Les rejets de savonneries sont très basiques leurs pH atteignent 12 comme valeur maximale
est cela du à l’utilisation d’un volume important de la soude durant le processus de la
saponification.
94
-
Les rejets de raffinerie sont moins basiques que ceux de la savonnerie, leurs pH varient
entre 9,8 et 10 est cela du à l’utilisation de NaOH durant l’étape de neutralisation d’huile
brute.
-
Les eaux de process se caractérisent par un pH basic parce qu’ils contiennent les rejets de
savonneries et de raffinerie
-
Par contre les rejets de cassage de pâtes issus de l’étape de traitement de la pate à savon
avec de l’acide sulfurique sont très acides, ils ont un pH de 1.
1. Les matières en suspension (MES) :
Evolution de la MES en fonction du temps
250000
Eaux
savonnerie
MES mg/l
200000
150000
Eaux Cassage
de Pate
100000
Eaux de
Process
50000
0
1 2 3 4 5 7 8 9 10 11 13 15 16 17 18 19 20 22 23 24 25 26 27 29
Eaux de
Raffineries
Temps (jour)
Figure 41 : Courbes de variation des MES des effluents en fonction du temps
La figure présentent la variation des MES des rejets de chaque unité de production de l’usine
en fonction du temps. Donc on constate que :
-
La teneur en matière en suspension (MES) pour les rejets de cassage de pate est élevée par
rapport aux autre rejets, elle peut atteindre 240000 mg/l comme valeur maximale.
-
La teneur en MES dans les rejets de savonnerie est moins élevée que celle des rejets de
cassage de pate, elle varie entre 2000 et 120000 mg/l.
-
Mais pour les rejets de raffineries et process la teneur en MES est un peu près la même.
95
2. La matière grasse (MG) :
Evolution de la MG en fonction du temps
7000
Eaux
Savonneries
6000
5000
Eaux Cassage
de Pate
3000
Eaux Process
MG (mg/l)
4000
2000
Eaux
Raffinerie
1000
0
1 2 3 4 5 7 8 9 10 11 13 15 16 17 18 19 20 22 23 24 25 26 27 29
Temps(jour)
Figure 42 : Courbes de variation de la MG des effluents en fonction du temps
La figure présente l’évolution de la matière grasse des rejets de chaque unité en fonction du
temps. D’après la figure on constate que la matière grasse dans les eaux de process c’est-àdire les rejets de raffineries (contient des trace d’huile) et de savonneries par rapport aux
autres rejets peut atteindre 6500 mg/l comme valeur maximal ce qui va automatiquement
augmenté la charge organique polluante est donc la DCO de ces rejets.
3. La demande chimique en oxygène (DCO) :
Evolution de la DCO en fonction du temps
Eaux
Savonneries
250000
DCO en mg/l
200000
Eaux
Cassage
Pate
Eaux
Process
150000
100000
50000
0
1 2 3 4 5 7 8 9 10 11 13 15 16 17 18 19 20 22 23 24 25 26 27 29
Eaux de
Raffinerie
Temps (Jour)
Figure 43 : Courbes de variation des MES des effluents en fonction du temps
Sur la figure 43 est représentée la variation de la DCO des effluents de chaque unité de
production en fonction du temps.
96
La DCO exprime la quantité d'oxygène nécessaire pour oxyder la matière organique d'une eau à
l'aide d'un oxydant, le bichromate de potassium, entre autre. Ce paramètre offre une représentation
plus ou moins complète des matières oxydables présentes dans l'échantillon. Donc d’après la
figure on remarque que :
-
Pour l’atelier de cassage des pâtes, la DCO fluctue entre 240000 et 40000 mg/l ce qui
montre que le rejet est riche en matière organique.
-
Pour les rejets de savonneries la DCO est un peu près stable durant tout le mois du février
-
Et finalement pour les rejets de raffineries et process la DCO est un peu près la même
II.
Suivi de la pollution moyenne journalière au niveau des points de
contrôle à la station d’épuration :
1. pH :
pH
Evolution du pH en fonction du temps
8
7
6
5
4
3
2
1
0
Eaux Entrée Station
Eaux Sortie
Physico-chimique
Eaux Sortie
Biologique
1 2 3 4 5 7 8 9 10 11 13 15 16 17 18 19 20 22 23 24 25 26 27 29
Temps (jour)
Figure 44: Courbes de variation du pH des différents points de contrôle en fonction du temps
La figure représente l’évolution du pH des différents points de contrôle (Eaux entrée station,
Eaux à la sortie du traitement physico-chimique et biologique). Selon le graphe, on constate
que :
-
Il y a une grande variation de pH à l’entrée de station est cela due à la variété des rejets
reçus à la station chaque jour.
-
Les valeurs de pH à la sortie physique chimique sont un peu stables, ils sont voisins de 7.
Cette valeur est très satisfaite pour le traitement biologique.
97
-
Pour le traitement biologique, les valeurs de pH sont presque stables (pH=7).
2. Les matières en suspension (MES) :
Evolution des MES en fonction du temps
MES mg/l
80000
Eaux Entrée Station
60000
40000
Eaux Sortie Physicochimique
20000
0
1 2 3 4 5 7 8 9 10 11 13 15 16 17 18 19 20 22 23 24 25 26 27 29
Eaux Sortie
Biologique
Temps(jour)
Figure 45: Courbes de variation de la MES des différents points de contrôle en fonction du temps
La figure montre la variation de la MES des différents points de contrôle en fonction du
temps. On remarque que :
-
A l’entrée de la station, les rejets comportent des teneurs très élevées en matières en
suspension qui varie entre 9000 et 69000 mg/l.
-
Après le traitement physique chimique (c’est-à-dire la coagulation floculation qui
permettent l’élimination de la matière en suspension par l’injection d’un coagulant et d’un
floculant) on remarque que la matière en suspension n’est pas totalement éliminer du l’eau
est cela signifie qu’il y’a un dysfonctionnement au niveau du traitement physicochimique.
-
Après le traitement biologique, on remarque la matière en suspension est presque éliminer
en totalité du l’eau.
98
3. La matière grasse (MG):
Evolution de la MG en fonction du temps
10000
MG (mg/l)
8000
Eaux Entrée
Station
6000
Eaux Sortie
Physico-chimique
4000
2000
Eaux Sortie
Biologique
0
1 2 3 4 5 7 8 9 10 11 13 15 16 17 18 19 20 22 23 24 25 26 27 29
Temps(jour)
Figure 46: Courbes de variation de la MG des différents points de contrôle en fonction du temps
La figure montre la variation de la MG des différents points de contrôle en fonction du temps.
On constate que :
-
Il y a une variation de la matière grasse à l’entrée de la station, elles varient entre 6500 et
8000 mg/l.
-
À la sortie de traitement physique chimique, la matière grasse n’est pas totalement
éliminés ce qui confirme qu’il y’a un dysfonctionnement au niveau de cette unité de
traitement.
À la sortie du bassin biologique les teneurs en matière grasse sont nulles est cela du à
l’oxydation totale de toute la matière trouvée dans l’eau.
4. La demande chimique en oxygène (DCO) :
Evolution de la DCO en fonction du temps
100000
80000
DCO (mg/l)
-
Eaux Entrée Station
60000
Eaux Sortie Physicochimique
Eaux Sortie Biologique
40000
20000
0
1 2 3 4 5 7 8 9 10 11 13 15 16 17 18 19 20 22 23 24 25 26 27 29
Temps(jours)
Figure 47: Courbes de variation de la DCO des différents points de contrôle en fonction du temps
99
La figure montre la variation de la DCO des différents points de contrôle en fonction du
temps. On constate que :
-
il y a une grande variation de la DCO à l’entrée de la station, elle varie entre 65000 et
90000 mg/l, ce qui explique la déstabilisation des rejets reçus à la station.
-
Le traitement physique-chimique par coagulation floculation élimine une grande quantité
de matière polluante organique et minérale du l’eau ce qui permet une diminution de la
valeur de la DCO jusqu'à 5000 mg/l.
-
Et à la sortie du traitement biologique la matière polluante organique est presque éliminer
en totalité sous l’action de la dégradation par les bactéries présentes dans le bassin
biologique.
Conclusion :
L`analyse des paramètres physico-chimiques de la station d’épuration, nous a permis de
remarquer que :

La déstabilisation des paramètres de pollution à l’entrée de la station nous signifie que
les rejets de l’usine ne sont pas constants et différents de temps en temps.

La variation des rejets influe négativement sur le fonctionnement général de la station.

Les rejets à l’entrée de la station sont riches en matières grasses qui proviennent de
l’atelier du raffinage surtout après l’ajout de la 3ème ligne du raffinage.

L’analyse des eaux à la sortie du traitement physico-chimique montre qu’il y’a encore
des trace de la matière grasse dans l’eau ce qui indique que le dégraisseur principal ne
fonctionne pas correctement.

La matière en suspension n’est pas totalement éliminer du l’eau à la sortie du
traitement physico-chimique ce qui montre qu’il y’a un dysfonctionnement au niveau
de cette unité.

La demande chimique en oxygène (DCO) à la sortie du traitement biologique presque
totalement éliminé ce qui explique la dégradation totale de toutes les substances
polluantes trouvées dans l’eau.
100
PARTIE V:
Optimisation du fonctionnement des ouvrages
de prétraitement de la station d’épuration de
Lesieur cristal
101
Introduction
Une station d’épuration des eaux usées industrielle type boue activée donne des bons
rendements d’épuration à de faible cout de fonctionnement quand elle est bien conçus et bien
entretenue. La station est composé de plusieurs ouvrages de prétraitements et équipement
nécessitant les opérations d’entretien et de curage tels que : le bassin de collecte des eaux
usées, le déshuileur, le dégrilleur….
L’objectif de cette partie est de réaliser un entretien du bassin de collecte et d’optimiser le
fonctionnement du déshuileur de la station d’épuration de Lesieur cristal.
102
Chapitre 1 : Bassin de collecte des eaux usées de la station
d’épuration Lesieur cristal
Les eaux usées en provenance des différentes unités de production de l’usine Lesieur cristal
sont assainie vers la station d’épuration.
La station d’épuration de Lesieur cristal dispose de deux bassins de collecte.
 Le premier sert à collecter les eaux de cassage de pate (figure 48). Au niveau de ce
bassin la matière grasse ayant une densité inférieur à celle de l’eau, flotte à la surface,
permettant ainsi de diminuer la concentration des graisses dans l’eau.
Figure 48 : Dégraisseur cassage de pate
 Le deuxième sert à collecter les eaux de cassage de pate en provenance du premier
bassin de collecte, ainsi que les eaux en provenance des autres unités de l’usine
(Figure 49). Ce bassin est équipé d’un système pour la régulation du pH des eaux
usées à l’entrée de la station par l’ajout de l’acide sulfurique pendant les périodes ou le
rejet présente des valeurs de pH importantes (pH > 8).
103
Figure 49 : Bassin de collecte
I.
Diagnostic des bassins de collecte :
En absence de raclage, au niveau de ces bassins, il y a accumulation de la matière grasse
chargée en acides gras à la surface du bassin de collecte. Le niveau de cette matière grasse à
tendance à aller vers le bas et par la suite diminuer l’efficacité du séparateur gravitaire (figure
50).
Figure 50 : Évolution de graisses accumulées dans le bassin de collecte
II.
Solution proposée :
À fin d’éliminer la matière grasse à la surface du bassin on propose de réaliser un pompage à
une fréquence de deux fois par semaine à l’aide d’une pompe à vide pour extraire le
maximum des graisses et les envoyés vers une cuve de stockage puis vers l’atelier de cassage
de pate.
104
Chapitre 2 : Le déshuileur de la station d’épuration
Lesieur cristal
Il consiste à limiter au maximum la quantité des huiles et des graisses présente dans l’effluent.
Ce déshuileur est alimenté par une pompe automatique qui fonctionne à deux niveaux : niveau
haut et niveau bas, Lorsque la hauteur de l’effluent au niveau du bassin de déshuilage atteint
le niveau bas, la pompe démarre et alimente le bassin à débit constant, lorsque le niveau de
l’effluent atteint le niveau la pompe s’arrête. L’effluent est évacué par la suite à débit constant
par un orifice placé à une certaine hauteur de la surface, permettant d’évacuer les eaux
dégraissés.
Les huiles flottant à la surface sont raclées vers les trémies ou elles seront par la suite aspirées
par une pompe vers une cuve de stockage des graisses.
I.
Diagnostic du déshuileur :
Une analyse des graisses en amont et en aval du dégraisseur ont montré que le pourcentage
d’élimination des graisses au niveau de celui-ci est trop faible avoisinant les 10%. Cette
analyse nous montre qu’il n’y a pas une élimination importante de la matière grasse au niveau
du déshuileur. Un suivi de ce dernier de près nous a montré que le racleur mécanique installer
au niveau du dégraisseur ne permet pas de racler tous les graisses et huiles accumulés à la
surface cela peut être expliqué par la diminution rapide du volume au niveau du bassin, donc
un temps de séjour faible qui ne permet pas au racleur de racler les graisses accumulés à la
surface.
Q= V/ T
Q = Débit de l’effluent à la sortie du bassin.
T = Temps de séjour de l’effluent dans le bassin
V = Volume de l’effluent dans le bassin.
II.
Solution proposée :
À fin de corriger ce dysfonctionnement on propose soit d’installer un orifice à la sortie des
eaux du déshuileur, il faudra augmenter le temps de séjour, pour cela, soit on doit diminuer le
débit des effluents à la sortie, soit on doit changer le niveau haut de la pompe, pour augmenter
le volume de l’effluent dans le bassin et permettre au racleur de racler un maximum des huiles
et des graisses flottés à la surface.
105
PARTIE VI :
Optimisation du traitement physico-chimique des
eaux usées de Lesieur cristal en utilisant la
méthodologie des surfaces de réponse
106
Introduction
Les plans d’expériences bénéficient aujourd’hui d’une large audience et leur pratique se
développe dans plusieurs domaines de recherche. La méthodologie expérimentale classique
consiste à fixer le niveau de toutes les variables sauf une et à mesurer la réponse du système
pour différentes valeurs de cette variable, ce qui implique de réaliser un nombre considérable
d’essais. Ainsi, avec 5 variables à 4 niveaux (c’est-`a-dire en utilisant 4 valeurs différentes
pour chaque variable), l’expérimentateur doit effectuer 45 = 1024 expérimentations. Pour
beaucoup de problèmes, il est difficile de mener un si grand nombre d’essais. Les essais
classiques ne permettent pas toujours d’optimiser le processus. En effet, le principe de ces
essais conduit le plus souvent à s’arrêter dans le meilleur cas à la première solution jugée
satisfaisante. Notre problématique était donc de trouver un outil permettant d’obtenir un jeu
de paramètres intéressant pour le traitement d’une émulsion huile-eau tout en menant un
nombre réduit d’expériences.
Selon la définition donnée par Fisher [1], les plans d’expériences constituent un essai
technologique d’utilisation maximale des données. Leur essor est cependant freiné par les
difficultés à maîtriser la méthode. En effet, les problèmes complexes font appel à des
connaissances approfondies sur les mécanismes de construction et d’analyse des plans [2].
L’utilisation des plans d’expériences sert à optimiser l’organisation des essais. Cette
organisation permet d’obtenir le maximum de renseignements avec le minimum
d’expériences [3].
Dans ce chapitre, nous allons donc nous attacher à présenter les plans d’expériences, afin de
montrer quelle peut être leur utilité et ce qu’ils peuvent apporter dans le domaine de
traitement. Nous présenterons ensuite les deux grandes catégories de plans qui existent et qui
ont été utilisées lors de nos travaux.
107
Chapitre 1: Les plans d’expériences
I.
Aperçu historique :
Les plans d’expériences sont issus de méthodes mathématiques et statistiques appliquées à
l’expérimentation. Historiquement, Les premiers scientifiques à s’être posé le problème de
l’organisation des essais sont des agronomes. Ils avaient en effet beaucoup de paramètres à
étudier et n’avaient pas la possibilité de multiplier le nombre d’expériences. De plus, la durée
des expériences constituait une contrainte supplémentaire forte. C’est Fisher [20, 21], qui,
pour la première fois en 1925, proposa une méthode avec laquelle on étudiait plusieurs
facteurs à la fois. Cette méthode fut reprise puis développée par des statisticiens et des
mathématiciens
qui
définirent
des
tables
d’expériences
permettant
de
réduire
considérablement le nombre d’expériences à effectuer sans diminuer la pertinence de la
campagne d’essais. Toutefois, les plans d’expériences n’apportent une information optimale
que dans le cas où le modèle du procédé prend un structure simple, c'est-à-dire linéaire (plans
factoriels) où polynomiale. Les grandes entreprises se sont ensuite intéressées à cette
méthodologie dans le cadre de l’approche qualité à la suite des travaux du Docteur Taguchi,
[22]. Il a fortement contribué à l’expansion de l’utilisation des plans d’expériences en milieu
industriel au Japon dans les années 1960. Fedorov [23] et Box [24] furent parmi les premiers à
s’intéresser à la planification d’expériences pour l’estimation de paramètres dans le cas de
modèles non linéaires.
Au cours de ces dernières années, cette méthodologie, du fait de la pertinence des
informations apportées, s’est développée dans la plupart des secteurs d’activités.
II.
Principe :
La technique des plans d’expériences va permettre de répondre à nos exigences. En effet, son
principe consiste à faire varier simultanément les niveaux de un ou plusieurs facteurs (qui sont
les variables, discrètes ou continues) à chaque essai. Ceci va permettre de diminuer fortement
le nombre d’expériences à réaliser tout en augmentant le nombre de facteurs étudiés, en
détectant les interactions entre les facteurs et les optimaux par rapport à une réponse, c’est-àdire une grandeur utilisée comme critère et en permettant de modéliser facilement les
108
résultats. Le point délicat dans l’utilisation des plans d’expériences sera donc de minimiser le
plus possible le nombre d’expériences à mener sans sacrifier la précision sur les résultats. De
nombreux ouvrages traitent des plans d’expériences. Celui publié par l’association
Expérimentique [25] présente de façon claire les plans d’expériences et propose une
bibliographie commentée très riche permettant à l’expérimentateur de trouver les informations
qui lui sont nécessaires.
L’objet de la méthodologie des plans d’expériences est donc d’aider l’expérimentateur à
résoudre les problèmes suivants [26]:
 La sélection des facteurs influent sur la réponse,
 La description des variations de la réponse en fonction des fluctuations des facteurs et
la validation expérimentale du modèle,
 La détermination de la (ou des) combinaison(s) de facteurs conduisant à une
optimisation de la réponse.
Il existe actuellement un nombre important de plans différents. Chacun, par ses propriétés,
permet de résoudre certains problèmes particuliers. On peut cependant diviser les plans
d’expériences en deux grandes catégories :
 Les plans pour étudier (estimer et comparer) les effets des paramètres,
 Les plans pour régler les paramètres afin d’atteindre un optimum.
L’idée essentielle qui doit mener la démarche expérimentale de l’expérimentateur est que l’on
met en œuvre un plan d’expériences afin de répondre à une problématique bien précise. Il faut
donc choisir ou construire le plan qui donnera les informations recherchées.
Afin d’obtenir des informations pertinentes, une démarche méthodologique doit être suivie :
 Définitions des objectifs et critères,
 Définition des facteurs étudiés et du domaine expérimental,
 Construction du plan d’expériences,
 Expérimentation,
 Analyse des résultats,
 Conduite éventuelle d’essais supplémentaires,
 Validation des résultats,
 Conclusion de l’étude.
109
III.
Étude des effets des facteurs :
Cette partie est consacrée à la présentation des plans d’expériences dont l’objectif est
d’estimer et comparer les effets des facteurs étudiés. Il existe de nombreux plans qui
permettent de réaliser une telle étude et de nombreux ouvrages détaillent leur utilisation [27].
Nous nous contenterons ici de présenter les plans d’expériences factoriels qui sont les plus
simples et les plus utilisés et qui ont donné de bons résultats dans plusieurs études.
1. Plans factoriels complets :
Les plans factoriels à 2 niveaux sont les plus utilisés car les plus simples et les plus rapides à
mettre en œuvre. Les plans factoriels complets avec deux niveaux et k facteurs sont notés 2k.
Dans un plan factoriel complet, la totalité des expériences doit être réalisée, comme dans la
méthodologie standard. Pour un plan factoriel complet optimal à k facteurs,
Il va donc falloir mener 2k expériences. Le principe consiste alors à répartir de façon optimale
les essais dans le domaine expérimental.
Dans le cas d’un plan factoriel complet à 2 facteurs, noté : 22. La meilleure stratégie consiste à
choisir les points de mesures aux extrémités du domaine expérimental, ce qui accroît la
précision du résultat et ne demande que 4 essais notés A, B, C et D sur la figure (G).
Figure 52: Disposition des points expérimentaux dans le domaine expérimental
La notation de Yates va alors être utilisée pour définir les niveaux des facteurs, c’est-à-dire
que l’on va attribuer la valeur (-1) au niveau bas du facteur et la valeur (+1) au niveau haut.
110
Cela revient à utiliser des variables centrées réduites au moyen d’un changement d’unité de
mesure et d’origine. La matrice d’expériences (Tableau 7) peut alors être définie. Elle permet
de rassembler les essais dans une table. Chaque ligne de cette table représente une
expérimentation et chaque colonne est dédiée à un facteur. Pour chacune des
expérimentations, on associe le critère que l’on cherche à améliorer. Il apparaît bien que
l’ensemble des combinaisons des deux facteurs va être testé.
Tableau 7: Matrice d’expérience pour un plan factoriel complet à deux facteurs
Numéro de
Facteur 1
Facteur 2
Interaction
l’essai
Moyenne
Critère
12
1
-
-
+
+
Y1
2
+
-
-
+
Y2
3
-
+
-
+
Y3
4
+
+
+
+
Y4
Effets
E1
E2
E3
M
A partir de l’ensemble des réponses obtenues pour le critère sélectionné, l’effet des différents
facteurs, c’est-à-dire l’influence qu’ils ont sur le critère, va, grâce à cette table, pouvoir être
déterminé. Par définition, l’effet d’un facteur est donné par la différence entre les moyennes
des réponses (critère) au niveau haut et la moyenne au niveau bas.
L’équation (1) donne le calcul de l’effet du facteur 1, noté E1
−𝑌1+𝑌2−𝑌3+𝑌4
E1=
(1)
4
L’utilisation de variables centrées réduites permet d’obtenir directement la valeur des effets à
partir de la matrice d’expériences en multipliant la transposée de la colonne associée au
facteur considéré avec la colonne de la réponse obtenu pour chacune des expériences et en
divisant par le nombre d’essais.
111
Les plans complets ne sont pas intéressants par eux-mêmes car ils nécessitent d’effectuer un
grand nombre d’essais mais ils posent les bases pour la création d’autres types de plans
nécessitant un nombre considérablement plus faible d’essais.
2. Plans factoriels fractionnaires :
La section précédente a montré que les plans factoriels complets sont très gourmands en
nombre d’expériences dès qu’il y a plus de quelques facteurs à étudier. En effet, il faut
réaliser 2k expériences avec k facteurs à deux niveaux. Pour diminuer le nombre d’essais à
mener, les plans d’expériences factoriels fractionnaires vont pouvoir être utilisés, plans qui se
basent sur la notion de plans factoriels complets.
Les plans factoriels fractionnaires sont un des aspects les plus intéressants de la méthode des
plans d’expériences. Ils donnent la possibilité de réaliser des plans factoriels à k facteurs avec
moins de 2k expériences [27].
Le principe consiste à accepter une certaine indétermination sur l’effet des facteurs pour
diminuer le nombre d’expériences. Les essais sont alors organisés dans le domaine
expérimental de façon à mener un minimum d’expériences tout en obtenant la meilleure
précision possible.
L’idée consiste à réduire le nombre d’essais en utilisant un plan complet d’ordre inférieur au
nombre de facteurs à étudier et en se servant des interactions entre les facteurs de ce plan
complet pour étudier les facteurs supplémentaires. De tels plans factoriels fractionnaires à
deux niveaux seront noté 2k-p où k représente le nombre de facteurs étudiés et p la différence
entre le nombre de facteurs étudiés et le nombre de facteurs du plan complet utilisé. Ainsi, en
reprenant l’exemple du tableau 1, il est possible d’étudier un troisième facteur dont l’effet va
s’ajouter dans la colonne 3 à celui de l’interaction entre les facteurs 1 et 2. Un tel plan, noté
23−1, est représenté (tableau 8).
112
Tableau 8: Matrice d’expérience pour un plan factoriel fractionnaire à trois facteurs
Numéro de
Facteur 1
Facteur 2
Facteur3=
l’essai
Moyenne
Critère
Interaction 12
1
-
-
+
+
Y1
2
+
-
-
+
Y2
3
-
+
-
+
Y3
4
+
+
+
+
Y4
Effets
E1
E2
E3
M
Les plans factoriels permettent donc d’étudier les effets de facteurs sur une ou plusieurs
réponses et de définir un optimum. Cependant, ce point optimal est dépendant de la valeur des
niveaux choisis pour chacun des paramètres lors de l’étude. La méthodologie des surfaces de
réponses, présentée dans la section suivante va permettre de modéliser l’évolution du critère
entre
ces
niveaux
afin
d’obtenir
IV.
Méthodologie des surfaces de réponses :
un
point
optimal
indépendant
de
ceux-ci.
La méthodologie des surfaces de réponse constitue le second volet de la méthode des plans
d’expériences. On notera l’utilisation courante du sigle d’origine anglo-saxonne RSM,
(Response Surface Methodology). Cette technique vise à déterminer d’une façon quantitative
les variations de la fonction réponse vis-à-vis des facteurs d’influence significative [28]. Elle
vient ainsi s’appliquer à la suite de l’étude de screening, puisque logiquement, elle n’utilise
que les facteurs précédemment jugés influents. Historiquement, cette technique s’est appuyée
sur l’usage de modèles de nature polynomiale. Dans ce cadre, le placement des points
d’expériences dans le domaine expérimental a été pensé afin de conférer les meilleures
propriétés à ces surfaces de réponse. C’est ainsi que l’erreur de modélisation se trouve au
centre de ces considérations, justifiant l’utilisation courante des plans de RSM. Le recours à la
modélisation par relations non polynomiales est également possible. L’objet « surface de
réponse » devient alors un support de connaissance, à partir duquel une étude plus complète
de la fonction réponse peut être menée. Pour un grand nombre de facteurs, comprendre
113
l’évolution des valeurs de la réponse en fonction de celles des facteurs est problématique. Des
outils mathématiques spécifiques peuvent alors être utilisés à ces fins. Les modélisations de la
fonction réponse peuvent également servir de base à la recherche de conditions optimales. La
méthode des surfaces de réponse doit donc être vue comme un ensemble d’outils permettant
la compréhension et l’exploitation d’objets simplificateurs de la fonction réponse étudiée, plus
largement et plus aisément exploitables.
Dans cette partie, les plans d’expériences permettant d’évaluer les paramètres pour atteindre
un optimum entre les niveaux des facteurs vont être présentés. Le principe est ici de modéliser
la surface de réponses expérimentale, c’est-à-dire l’évolution de la réponse sur un univers de
discours des variables borné et de chercher l’optimum de la surface estimée. Là encore, de
nombreuses références sur le sujet existent [25, 29]. Parmi les nombreux types de plans
permettant de construire des surfaces de réponses, nous ne présenterons et n’utiliserons ici
que les plans composites centrés orthogonal.
2. Définition du modèle:
Les plans que nous avons présentés précédemment permettent d’étudier et de comparer les
effets de facteurs sur une réponse. L’objectif est maintenant d’obtenir un réglage dit optimal
de ces paramètres sur le domaine de variation de ceux-ci par rapport au critère sélectionné. Il
est donc souhaitable de pouvoir faire la recherche de ces coefficients entre les niveaux donnés
aux variables. Des variables centrées réduites vont de nouveau être utilisées, prenant des
valeurs dans l’intervalle [−1, 1] sur le domaine expérimental étudié par rapport au centre de
celui-ci. La relation (2) de codage est employée pour transformer la valeur de Z [Zmin, Zmax]
du facteur Z où Zmin et Zmax représentent les valeurs extrêmes du facteur Z sur le domaine
expérimental en variable centrée réduite Z [−1, 1] :
Xi=
𝑍𝑚𝑖𝑛+𝑍𝑚𝑎𝑥
2
𝑍𝑚𝑎𝑥−𝑍𝑚𝑖𝑛
2
𝑍1−
(2)
Avec:
Zi : Valeur de la variable Zi initiale
Xi : Valeur de la variable codée Xi
Il va falloir maintenant positionner judicieusement les essais au sein du domaine expérimental
afin de pouvoir modéliser en un nombre réduit d’expériences la surface expérimentale
étudiée. Pour ce faire, il existe de nombreux types de plans, apportant chacun des éléments de
114
réponses à différents types de problèmes, [25]. La première interrogation repose sur le type de
modèle qui va être utilisé pour estimer la surface expérimentale. Il faudra alors choisir le plan
en conséquence et mener une analyse statistique du modèle obtenu afin de vérifier si la
surface de régression donne une approximation utilisable du phénomène réel. Enfin, la surface
obtenue sera analysée pour trouver le réglage optimal dans le cadre de la problématique
choisie. Cette analyse sera d’autant plus facile que le choix du modèle sera judicieux. Ainsi,
une légère perte d’information au niveau de la corrélation, c’est-à-dire l’adéquation entre le
modèle et la réponse réelle, pourra se révéler intéressante en termes d’exploitation du modèle
si celui-ci est facilement exploitable.
En conséquence, l’hypothèse selon laquelle la surface de réponse peut être estimée par une
forme particulière de modélisation : une forme quadratique est couramment adoptée, [29, 30].
Ce choix repose sur le fait que ce modèle est bien connu et facile à exploiter et que sa forme
particulière, basée sur des polynômes du second degré, est applicable à de nombreux
problèmes. En effet, il est toujours possible de définir au voisinage d’un point un
développement en série de toute fonction. En posant (Y) l’estimation de la valeur de la
réponse étudiée pour un point de fonctionnement donné, βm et βmn les coefficients du
polynôme et X1 la variable associée au facteur 1 et l [1, k], la forme générale du modèle peut
être définie.
(3)
Avec :
β 0 : Moyenne arithmétique des réponses ;
βi βii βij : Coefficients du modèle ;
ε : L’erreur
3. Plan composite centré :
Le plan composite centré est le plan de surface de réponse le plus utilisé. Les plans
composites centrés comprennent un plan factoriel ou un plan factoriel fractionnaire avec des
points centraux, auxquels s'ajoute un groupe de points axiaux (ou étoiles) qui permettent
d'estimer la courbure. Vous pouvez utiliser un plan composite centré pour effectuer les
opérations suivantes :
115
 Estimer efficacement les termes du premier et deuxième ordre.
 Modéliser une variable de réponse avec courbure en ajoutant des points centraux et
axiaux à un plan factoriel précédemment exécuté.
Les plans composites centrés s'avèrent particulièrement utiles dans les expériences
séquentielles, car vous pouvez souvent vous appuyer sur des expériences factorielles
antérieures en ajoutant des points axiaux et centraux.
V.
Analyse statistique des résultats :
Les valeurs expérimentales introduites dans le modèle sont entachées d’erreurs (somme
d’erreurs systématiques et aléatoires) qui se transmettent aux coefficients βi du modèle puis
aux valeurs estimées.
Des tests statistiques permettent d’évaluer la qualité du modèle (descriptive et prédictive), sa
validation (Analyse de la variance) et la significativité des coefficients (test de Student). Cette
étude peut être décomposée en trois étapes :
 L’analyse globale du système,
 L’étude des coefficients du modèle,
 L’analyse des résidus.
L’objectif de l’analyse globale des résultats est de définir la qualité descriptive du modèle au
moyen d’un tableau d’analyse de la variance (tableau ANOVA). Pour ce faire, plusieurs
grandeurs doivent être préalablement définies.
1. Qualité descriptive :
Les résultats obtenus peuvent alors être représentés graphiquement afin de comparer dans un
premier temps les réponses expérimentales et les réponses estimées. Pour cela, il est
nécessaire de tracer le graphe d’adéquation du modèle {réponses estimées = f (réponses
expérimentales)}. Si le nuage de points est aligné sur la droite d’équation y = x, la qualité
descriptive du modèle sera a priori plutôt bonne.
En plus, la qualité descriptive du modèle polynômial est exprimée par les coefficients de
détermination R2 et R2 ajusté donnés par les équations (4) et (5), respectivement. La
signification statistique doit être vérifiée avec la précision d’adéquation, Eqs. (6) et(7), et par
le F-test.
116
R² =
1-
𝑆𝐶𝑅𝐸𝑆
𝑆𝐶𝑀+𝑆𝐶𝑅𝐸𝑆
𝑆𝐶𝑀
=
(4)
𝑆𝐶𝑇
𝑆𝐶𝑅𝐸𝑆
R2 adj =
1- 𝐷𝐿𝑅𝐸𝑆⁄𝑆𝐶𝑀 +𝑆𝐶𝑅𝐸𝑆
(5)
𝐷𝐿𝑀+𝐷𝐿𝑅𝐸𝑆
Précision d’adéquation =
V (Y) =
1
𝑁
max(𝑌̂)−min(𝑌̂)
̅ (𝑌̂)
√𝑉
̅ ̂
∑𝑁
𝑖=1 𝑉 (𝑌 ) =
(6)
𝑃 Ϭ²
(7)
𝑁
Où P est le nombre de paramètres du modèle, σ2 la moyenne carrée résiduelle et N est le
nombre d'expériences.
Soit SCT la somme des carrés totale, c’est-à -dire la somme des carrés des écarts entre les
mesures de la réponse et leur moyenne :
SCT = ∑𝑁
𝑖=1(𝑌𝑖 − 𝑌)²
(8)
Cette somme peut être décomposée comme une somme de deux termes, SCM, la somme des
carrés due à la régression ou variation expliquée par le modèle et SCE, la somme des carrés
des résidus ou variation inexpliquée par le modèle :
SCT = SCM + SCRES
(9)
SCM est la somme des carrés des erreurs entre les réponses estimées et la moyenne des
réponses mesurées :
̂
SCM = ∑𝑁
𝑖=1(𝑌𝑖
− 𝑌̅)²
(10)
SCRES est la somme du carré des écarts entre les réponses mesurées et estimées :
SCRES = ∑𝑁
𝑖=1(𝑌𝑖
− 𝑌̂𝑖)²
(11)
Quand R2 = 1, les estimations Yi coïncident avec les mesures alors que pour R2 = 0, les
données ne sont pas du tout alignées. Le coefficient de détermination indique donc le degré
d’alignement des données sur le modèle de régression. Ainsi, pour R2 = 0.8, 80% de la
variation des essais est expliquée par le modèle.
117
Cependant, en présence de plusieurs variables explicatives, ce qui est souvent le cas pour les
régressions multiples, le coefficient de détermination augmente naturellement et ne permet
pas de comparer significativement différents modèles [31]. Il est donc usuel d’introduire et
d’utiliser le critère du R2 ajusté. Le R2 ajuste, est maximal quand l’estimateur des erreurs S2,
d’équation (12), est minimal.
S² =
𝑆𝐶𝑅𝐸𝑆
(12)
𝑁−𝑃
La qualité du modèle sera donc d’autant meilleure que R2 ajusté sera proche de 1.
2. Analyse de la variance :
L’analyse de la variance (ANOVA ou Analysis Of Variance) permet de comparer les
variances des valeurs calculées par le modèle et les résidus (Tableau 9).
Tableau 9: ANOVA : analyse de régression
Source de
Degré de liberté
variation
Somme des
Moyenne des
carrés
carrés
Régression
P-1
SCM
𝑆𝐶𝑀
𝑃−1
Résiduelle
N-P
SCRES
𝑆𝐶𝑅𝐸𝑆
𝑁−𝑃
Total
N-1
SCT
118
Fc
𝑆𝐶𝑀
𝑆𝐶𝑅𝐸𝑆
Chapitre 2 : Plan d’expérience appliqué au
traitement des rejets de la société Lesieur cristal
« Partie expérimentale »
Cette partie est consacrée à l’évaluation des performances et l’optimisation du procédé de
coagulation floculation pour le traitement des eaux usées. Pour aboutir à cet objectif, on a
utilisé un plan d’expériences pour réduire le nombre d’essais et optimiser les conditions
opératoires conduisant à un taux d’élimination maximal de la charge polluante avant
d’envoyer les eaux vers un traitement biologique. L’effet des différents paramètres
opératoires sur l’efficacité de l’opération sera évalué.
Tout d’abord, une étude préliminaire sur la coagulation-floculation de ces mêmes eaux sera
effectuée. Elle permettra d’étudier les effets des paramètres opératoires sur les réponses du
système et aussi pour trouver un compromis optimal entre les objectifs de l’étude.
La méthodologie des plans d’expériences basé sur la méthode de surface de réponses sera
employée afin d’optimiser les facteurs opératoires et d’améliorer l’efficacité du traitement à
l’issue de l’étude menée avec le plan composite centré orthogonal.
I.
Procédures expérimentales :
Les essais de coagulation floculation sont menés avec une eau usée présentant les
caractéristiques suivantes :
Tableau 10: Caractéristiques de l’effluent principal à l’entrée de la station de Lesieur cristal
pH
3,26
T (°C)
33
DCO (mg O2/l)
76 800
Turbidité (NTU)
1 265
MES (mg/l)
11 393
Phénol (mg/l)
9,33
Phosphore total (mg/l)
6,56
Nitrite (mg/l)
4,57
Nitrate (mg/l)
3,8
Détergents (mg/l)
1,8
119
Le volume de l’eau traitée est de 500 ml. Le pH est ajusté à la valeur souhaitable par ajout de
NaOH 50% ou H2SO4 95% et les expériences ont été effectués à la température ambiante (2022°C).
On utilise comme coagulant le chlorure ferrique 40% pour le traitement du rejet.
Le traitement se fait en utilisant l’appareil de JAR-TEST, permettant d’agiter l’effluent
rapidement à 150 trs/min pendant 10min, puis lentement à 30trs/min pendant 20min.
Après agitation l’effluent est déversé dans des éprouvettes permettant de faire un suivi de la
décantation au cours du temps.
Les mesures de la turbidité, de la DCO et du pH sont effectuées par les mêmes appareils déjà
mentionnés aux chapitres précédents.
II.
Étude préliminaire :
Afin de déterminer la gamme des concentrations en coagulant, en floculant et le pH optimales
à appliquer au niveau du plan d’expérience, un jar test classique a été réaliser, en variant la
dose du coagulant, la dose du floculant et le pH.
1. Détermination de la concentration optimale du coagulant:
Cette manipulation consiste à introduire des doses croissantes de coagulant (chlorure ferrique
40%) dans une série de 6 béchers d’un litre contenant 500 ml de rejets sous agitation pendant
une courte durée (10 min) mais avec une vitesse très rapide (150 tr/min) permettant ainsi
d’assurer une très bonne dispersion du réactifs et une bonne déstabilisation chimique des
colloïdes. L’agitation rapide est suivie d’une agitation lente (30 tr/min) pendant 20 min par un
agitateur à pales dans le but de favoriser la mise en contact des particules colloïdales et éviter
de briser les flocs formés. Après deux heures de décantation, le surnageant est siphonné afin
d’être analysé.
On effectuant des analyses sur le surnagent, le tableau suivant représente les réponses en
DCO, turbidité et volume des boues en fonction des concentrations en coagulant.
120
Tableau 11: La réponse en DCO, turbidité, volume des boues pour différentes valeurs de
concentration en coagulant
Concentration Volume des boues Turbidité(NTU) DCO (mg O2 /l) Abattement
coagulant (g/l)
(ml/l)
turbidité (%)
Abattement
DCO (%)
0
0
1265
76800
0,00
0,00
0,8
160
48,4
5760
96,17
92,50
1,6
300
19,4
2880
98,47
96,25
3,2
240
30,7
6720
97,57
91,25
4,8
160
49,9
9600
96,06
87,50
6,4
20
55,7
7680
95,60
90,00
8
0
128
9600
89,88
87,50
9,6
0
140
10560
88,93
86,25
A partir de ce tableau on peut tracer l’évolution ou bien la variation des deux paramètres : la
turbidité et la demande chimique en oxygène en fonction de la dose du coagulant ajouter aux
effluents pour déterminer par la suite la dose optimale du coagulant :
-
Demande chimique en oxygène (DCO) :
La DCO est systématiquement utilisée pour caractériser un effluent. La valeur initiale de la
DCO dans l’eau prélevée est de
76 800 mg O2/l. L’addition progressive des doses de
coagulant a entrainé une diminution dans cette valeur jusqu’à 2880 mg O2/l, comme valeur
minimale, pour une concentration de 1,6 g/l de du chlorure ferrique (Fecl3) qui correspondent
à une élimination de 96% de la charge polluante en DCO, comme le montre la figure 52 et
53. D'après la bibliographie La DCO présente quasiment tout ce qui est susceptible de
consommer de l’oxygène dans l’eau, par exemple les sels minéraux et les composés
organiques, l’introduction des particules du coagulant qui piègent ces matières, fait diminuer
par suite la demande en oxygène et à 1,6 g/l de coagulant presque la totalité des colloïdes sont
pigés ce qui explique la faible valeur de la DCO (2880 mg O2/l).
121
Pour des concentrations en coagulant plus grandes que 1,6 g/l, on a remarqué une faible
augmentation de la DCO qui arrive à 10560 mg O2/l pour 9,6 g/l de coagulant et cela est du à
ce que la surdose des particules entraine une demande d’oxygène qui reste faible par rapport à
celle des matières initiales. Cela nous confirme aussi que la dose optimale du chlorure
ferrique (Fecl3) se situe bien autour de 1,6g/l.
La figure (52) et (53) représente l’évolution de la DCO (g O2/l) et l’abattement de la DCO
90
100
80
90
70
80
Abattement DCO (%)
DCO (mg O2/l)
(%) en fonction des différentes concentrations du coagulant (g/l) :
60
50
40
30
20
70
60
50
40
30
20
10
10
0
0
0
2
4
6
Concentration coagulant (g/l)
8
10
0
2
4
6
Concentration coagulant (g/l)
8
10
Figure 52: La réponse en DCO (g O2/l) pour différentes
Figure 53: L'abattement de la DCO (%) pour différentes
concentration du coagulant (g/l)
concentration du coagulant (g/l)
-
Turbidité :
On remarque bien que l’addition de 0,8 g/l du coagulant chlorure ferrique (Fecl3) a provoqué
la diminution de la valeur de la turbidité de 1265 à 48,4 NTU.
D'après la bibliographie cela est dû à ce que les particules du coagulant déstabilisent les
colloïdes négativement chargés présents dans l’eau à traiter, en neutralisant les charges qui
génèrent les forces de répulsion entres colloïdes.
Arrivant à une concentration de 1,6 g/l de coagulant, nous avons remarqué que la valeur de
turbidité à atteint 19,4 NTU qui correspondent à une élimination de 98% de la valeur de la
turbidité comme le montre la figure 5 et 6. On peut donc dire que cette valeur (1,6 g/l) est la
concentration optimale de ce coagulant dans cette eau, les cations apportés par le coagulant
ont englobé presque la totalité des suspensions colloïdales dans le liquide ce qui entraine une
clarté meilleure mesurés et qui croit avec l’accroissement de la dose du coagulant. On
122
comprend de cela que la surdose en coagulant provoque la ré-stabilisation des particules
colloïdales ainsi la disponibilité de leurs sites diminue et empêche la formation des ponts inter
particulaires et on aura donc une eau très chargée en coagulant avec une mauvaise
clarification. Et cela nous confirme que la dose optimale du coagulant est 1,6g/l.
La figure (54) et (55) représente l’évolution de la turbidité (NTU) et l’abattement de la
turbidité
(%) en fonction des différentes concentrations du coagulant (g/l) :
1400
100,00
90,00
Abattement turbidité (%)
1200
Turbidité (NTU)
1000
800
600
400
200
80,00
70,00
60,00
50,00
40,00
30,00
20,00
10,00
0
0,00
0
2
4
6
8
10
0
2
4
6
8
10
Concentration coagulant (g/l)
Concentration coagulant (g/l)
Figure 54: La réponse en Turbidité (NTU) pour différentes
Figure55: L'abattement de la Turbidité (%) pour différentes
concentration du coagulant (g/l), pH=6,5
concentration du coagulant (g/l), pH=6,5
-
Volume des boues (ml/l) :
Pour la première dose du coagulant chlorure ferrique (0,8 g/l), la courbe nous montre que la
décantation n’est pas favorable, elle est trop lente, cela prouve que la quantité du coagulant
ajoutée est insuffisante pour diminuer le potentiel zêta, qui est le responsable de la stabilité
des particules colloïdales chargées négativement.
Pour la deuxième dose (1,6 g/l), la décantation des boues est devenue favorable (Volume des
boues décantés est de 300 ml) cela prouve que la dose du coagulant utilisée à déstabilisée les
particules colloïdales, qui se sont agglomérer pour sédimenter. En augmentant les doses en
coagulants on remarque le volume des boues décanté commence à diminué est cela peut êtres
expliqué par le fait que l'injection excessive du coagulant pourrait charger les particules
123
positivement et recréer des forces répulsives empêchant alors la création des flocs. Cela nous
confirme aussi que la dose optimale du coagulant se situe bien autour de 1,6 g/l.
La figure 56 représente la variation du volume des boues (ml) pour différentes concentrations
en coagulant (g/l) :
Volume des boues (ml/l)
350
300
250
200
150
100
50
0
0
2
4
6
8
10
12
Concentration coagulant (g/l)
Figure 56: Le volume de boues décanté pour différentes concentration en coagulant, pH=6,5
2. Détermination de la concentration optimale du floculant:
En suivant les mêmes conditions d’agitation, la même série de béchers contenant la même
suspension de rejets (500 ml) est soumise à des doses croissantes de floculant, soit des
concentrations allant de 0,4 à 1,6 g/L, pour la même concentration en coagulant 1,6 g/l. Les
flocons sont laissés au repos pendant deux heures et le surnageant est siphonné pour être
analysé. Le tableau suivant représente les réponses en DCO, turbidité et volume des boues en
fonction des concentrations en floculant :
Tableau 12: la réponse en DCO, turbidité, volume des boues pour différentes valeurs de concentration
en floculant, concentration en coagulant = 1,6 g/l
Concentration Concentration
Volume des
Turbidité
DCO
Abattement
Abattement
floculant
0 (g/l) coagulant
1,6 (g/l)
boues0(ml/l)
(NTU)
1265
(mg
O2/l)
76800
turbidité
0,00 (%)
DCO
0,00(%)
0,4
1,6
280
39,8
4560
96,85
94,06
0,6
1,6
290
28
3920
97,79
94,90
0,8
1,6
300
22,8
3800
98,20
95,05
1
1,6
320
15,6
2880
98,77
96,25
1,2
1,6
310
21
3480
98,34
95,47
124
1,4
1,6
300
26,5
3480
97,91
95,47
1,6
1,6
290
31,2
3800
97,53
95,05
-
Demande chimique en oxygène (DCO) :
L’utilisation du floculant avec la dose optimal en coagulant nous a permis d’éliminer une
fraction importante de la DCO allant de 76 800mg/l pour atteindre 2880 (élimination de 96%
de la charge polluante en DCO), pour une concentration en floculant égale à 1 g/l. Cette
concentration correspond à la dose optimale en floculant qu’il faut appliquer pour le
traitement de ce rejet. Le graphique suivant représente l’évolution de la DCO (g O2/l) en
90
100,00
80
90,00
70
80,00
L'abattement DCO (%)
DCO ( g O2/l)
fonction des différentes valeurs du floculant :
70,00
60
60,00
50
50,00
40
40,00
30
30,00
20
20,00
10
10,00
0,00
0
0
0,5
1
1,5
0
2
0,5
1
1,5
2
Concentration floculant (g/l)
Concentration floculant (g/l)
Figure 57: La réponse en DCO (g O2/l) pour différentes
Figure 58: L'abattement de la DCO (%) pour différentes
concentration du coagulant (g/l)
concentration du coagulant (g/l)
-
Turbidité :
La turbidité initiale mesurée de ce prélèvement est de 1265 NTU alors que les MES sont de
11393 mg/l. D’après les résultats obtenus, on remarque qu’en cas de traitement sans ajout de
floculant, la turbidité diminue en fonction de l’augmentation progressive de la concentration
du coagulant pour atteindre 19,4 NTU pour 1,6 g/l de coagulant (figure 54). Cependant dans
le cas ou nous avons ajouté le floculant, l’élimination est plus efficace surtout à la dose de
1g/l du floculant qui permet de diminuer la turbidité à une valeur minimal de 15,6 NTU ce qui
correspond à une élimination de 98,8% (figure 59 et 60). Cette élimination se traduit par
125
l’agrégation des micro-flocs en formant des flocons qui tiennent plus de particules en
suspension et deviennent par la suite plus volumineux ce qui facilite leur décantation. Au-delà
de cette concentration en floculant (> 1g/l) en remarque une augmentation à nouveau des
valeurs de la turbidité qui nous ramène à conclure que la concentration optimal du floculant
est de 1 g/l.
La figure (59) et (60) représente l’évolution des valeurs de la turbidité (NTU) et l’abattement
de la turbidité (%) en fonctions des différentes concentrations en floculant :
1400
100,00
90,00
Abattement turbidité (%)
Turbidité (NTU)
1200
1000
800
600
400
200
80,00
70,00
60,00
50,00
40,00
30,00
20,00
10,00
0
0
0,5
1
1,5
2
0,00
Concentration floculant (g/l)
0
0,5
1
1,5
Concentration floculant (g/l)
Figure 59: La réponse en turbidité (NTU) pour différentes
Figure 60: L'abattement de la turbidité (%) pour
concentration du floculant (g/l)
différentes concentration du floculant (g/l)
-
Volume des boues :
D’après la figure on remarque l’ajout d’une concentration de 1 g/l en floculant permet une
meilleur décantation des particules colloïdales déstabilisée par le coagulant (1,6g/l). En
augmentant les doses en floculant on remarque le volume des boues décanté commence à
diminué est cela peut être expliqué par le fait que l'injection excessive du floculant pourrait
charger les particules négativement et recréer des forces répulsives empêchant alors la
création des flocs. Cela nous confirme que la dose optimale du floculant se situe bien autour
de 1g/l.
126
2
Le graphique suivant représente la variation du volume des boues décantés (ml/l) en fonction
Volume des boues (ml/l)
des différentes concentrations du floculant :
325
320
315
310
305
300
295
290
285
280
275
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
Concentration floculant (g/l)
Figure 61: Le volume de boues décanté pour différentes concentration en floculant, concentration en
coagulant 1,6 g/l
3. Détermination du domaine de pH:
Après avoir déterminé la dose optimale du coagulant et du floculant il faut déterminer par la
suite le domaine de pH du coagulant-floculant qui permet d’avoir une très bonne élimination
des charges polluante.
Pour cela nous avons fixé la dose optimal du coagulant (1,6 g/l) et du floculant (1 g/l) dans les
cinq béchers puis nous avons varié le pH de 2 à 10. Les résultats obtenus sont regroupé dans
le tableau suivant :
Tableau 13: la réponse en DCO, turbidité, volume des boues pour différentes valeurs de pH,
concentration en coagulant = 1,6 g/l, concentration en floculant = 1 g/l
Abattement Abattement
Dose coagulant Dose floculant
Volume des
Turbidité
DCO (mg
turbidité
DCO (%)
pH
(g/l)
(g/l)
boues (ml/l)
(NTU)
O2/l)
(%)
2
1,6
1
-
1265
68900
20,95
10,29
4
1,6
1
100
280
49300
77,87
35,81
6
1,6
1
320
16,8
3420
98,67
95,55
8
1,6
1
240
63,9
6900
94,95
91,02
10
1,6
1
180
190
26300
84,98
65,76
127
-
Demande chimique en oxygène (DCO) :
Il est reconnu que le pH influence les taux d’abattement de la pollution contenue dans les
eaux usées. Pour chaque effluant, il existe une plage de pH pour laquelle la coagulation
floculation a lieu rapidement. Plage qui est fonction du coagulant, floculant utilisé, de leurs
concentrations et de la composition de l’eau à traiter. Dans notre cas on remarque que
l’utilisation de la dose optimale en coagulant (1,6 g/l) et en floculant (1g/l) à un pH = 6, nous
a permis de diminuer la charge polluante en DCO à 3420 mg O2/l c’est-à-dire une élimination
de 95.5% (voir figure 63) Au-delà de cette valeur en pH la demande chimique en oxygène
augmente à nouveau qui nous ramène à conclure que le ph optimal pour une concentration de
chlorure ferrique 1,6g/l et de floculant 1g/l est de 6.
Le graphique (62 et 63) représente l’évolution de la DCO (g O2/l) et abattement de la
DCO(%) en fonction des différentes valeurs de pH :
100,00
70
90,00
Abattement DCO (%)
80
DCO (g O2/l)
60
50
40
30
20
80,00
70,00
60,00
50,00
40,00
30,00
20,00
10,00
10
0,00
0
0
2
4
6
8
10
0
12
2
4
6
8
10
12
pH
pH
Figure 62: La réponse en DCO pour différentes valeurs du Figure 63: L'abattement de la DCO (%) pour différentes
pH, concentration en coagulant = 1,6 g/l, concentration
valeurs du pH, concentration en coagulant = 1,6 g/l,
floculant = 1 g/l
concentration floculant = 1 g/l
-
Turbidité
La turbidité d’une eau est principalement causée par des particules très petites, dites particules
colloïdales. Ces particules, qui peuvent rester en suspension dans l'eau durant de très longues
périodes de temps. Les MES de cet effluant atteint 11393 mg/L. Par ailleurs, du fait de leur
grande stabilité les particules n'ont pas tendance à s'accrocher les unes aux autres. En effet,
l’ajout du coagulant et du floculant fait augmenter les interactions entre particules en formant
128
des flocs qui décantent facilement. La valeur de la turbidité initiale est de l’ordre de 1265
NTU en appliquant la dose optimal en coagulant (1,6 g/l) et en floculant (1g/l) avec une
variation du pH de l’effluant en remarque que les valeurs de la turbidité de l’effluant diminue
jusqu'à une valeur de 16,8 NTU pour un pH =6 qui correspond à une élimination de 98,67 % .
Au-delà cette valeur de ph l’eau devient turbide donc ce qui nous ramène à conclure que le ph
optimal pour une concentration de chlorure ferrique 1,6g/l et du floculant 1g/l est de 6.
La figure (64) et (65) représente l’évolution de la turbidité (NTU) et abattement de la
turbidité (%) en fonction des différentes valeurs de pH :
300
Abattement turbidité (%)
100,00
90,00
80,00
70,00
60,00
50,00
40,00
30,00
20,00
10,00
0,00
Turbidité (NTU)
250
200
150
100
50
0
0
2
4
6
pH
8
10
12
0
2
4
6
pH
8
10
12
Figure 64: La réponse en turbidité pour différentes
Figure 65: L'abattement de la turbidité (%) pour
valeurs du pH, concentration en coagulant = 1,6 g/l,
différentes valeurs du pH, concentration en coagulant = 1,6
concentration floculant = 1 g/l
g/l, concentration floculant = 1 g/l
4. Conclusion :
D’après l’étude préliminaire, les trois manipulation effectuées nous ont permis de déterminer
la dose optimale en coagulant en floculant et le domaine du pH à appliquer au niveau du plan
d’expérience.
Tableau 14: valeurs optimales en Coagulant, en floculant et en pH
Concentration (g/l)
Coagulant
1,6
Floculant
1
PH
6
129
III.
Planification des expériences :
1. Stratégie expérimentale :
En utilisant un plan d’expériences de type composite centré, on s’est proposé d’évaluer et
d’optimiser les conditions opératoires conduisant à une meilleure coagulation floculation.
Pour cela, on a fait un recensement de tous les facteurs y compris les paramètres opératoires
en déterminant leur rôle, leur nature et leur maitraisabilité. Les facteurs les plus influents sont
recensés ; l’intervalle des valeurs admises pour ces facteurs a été déduit des essais
préliminaires effectués et les niveaux codés et originaux pour ces facteurs sont donnés dans le
tableau (Tableau 15). La transformation d’une variable réelle xi en variable codée Xi s’obtient
à partir de la relation 13 :
Xi =
Xi0 =
𝑋𝑖−𝑋𝑖0
(13)
𝛥𝑋𝑖
𝑋𝑚𝑎𝑥+ 𝑋𝑚𝑖𝑛
(14)
2
ΔXi =
𝑋𝑚𝑎𝑥−𝑋𝑚𝑖𝑛
(15)
2
Où Xi est la variable codée, xi est la valeur réelle, le xi0 est la valeur réelle au centre du
domaine expérimental, et le ∆xi est le pas de la variation de la variable réelle.
Dans cette étude nous avons pris α=2, car la valeur de  est choisie selon le type d’optimalité
requise.
Tableau 15: Facteurs et niveaux correspondants dans le domaine expérimental
Symboles
Pas de
Intervalles et niveaux
variations
Variables
Xi
∆xi
-2
-1
0
1
2
Dose coagulant (g/l)
X1
1
0,8
1,2
1,6
2
2,4
Dose floculant (g/l)
X2
0,5
0,25
0,5
1
1,5
1,75
pH
X3
1
4
5
6
7
8
130
Le plan d'expériences mis en œuvre comprend 17 expériences générées selon le principe de la
méthodologie des surfaces de réponse (RSM) avec 3 facteurs, 3 niveaux et 3 points au centre
du domaine expérimental.
L’ensemble des points NF, N0 et NA constitue le plan composite centré :
 NF essais du plan factoriel tel que NF = 2k
 N0 essais au centre
 NA Essais en étoile tels que NA = 2k
Pour trois facteurs k=3 :
 NF=23 = 8 essais,
 N0 = 3 essais au centre,
 NA= 2*3=6 essais
Les trois variables retenues pour cette étude sont : la concentration du coagulant (x1), la
concentration du floculant (x2) et le pH de la solution (x3).
La turbidité, et la demande chimique en oxygène (DCO) sont considérées comme réponses du
système.
Les données expérimentales peuvent être estimées par un modèle polynômial (Eq. 16) de
second ordre utilisé dans l'analyse de réponse (Yi) est le suivant :
Yi = β0 + β1 X1 + β2 X2 + β3 X3 + β12 X1 X2 + β13 X1 X3 + β23 X2 X3 + β11 X12 + β22 X2 + β33 X32 (16)
Où X1, X2 et X3 sont les variables indépendantes représentant la concentration en coagulant,
la concentration en floculant et le PH de la solution respectivement ; β0 est une constante ; β1,
β2 et β3 sont les coefficients traduisant le poids linéaire de X1, de X2 et de X3 respectivement;
β12, β13 et β23 sont les coefficients traduisant les interactions entre les variables; β11, β22 et β33
des coefficients traduisant l'influence quadratique de X1, de X2 et de X3.
La qualité de ce modèle et de sa puissance de prévision sont liées au coefficient de
détermination, R2. Les réponses fixes comme objectifs dans ce processus sont la DCO (Y1) et
de la turbidité (Y2). Le modèle de la réponse extérieure correspondant au plan d'expérience
composite centré tient compte de tous les principaux facteurs maintenus et de leurs
interactions. Ce type de plan a permis l’étude des facteurs multiples avec la variation des
niveaux en utilisant un nombre minimal d'expériences. Les arrangements des expériences du
plan ont été énumérés dans le Tableau 16, qui inclut l’ensemble de 17 expériences de
coagulation floculation.
131
Tableau 16: Matrice d’expériences
Essai
Facteurs
Coagulant (g/l)
Floculant (g/l)
Réponses
pH
Y1 DCO
(mg O2/l)
3820
Y2 Turbidité
(%)
42,8
(%)
1
1,2
0,5
5
2
1,2
0,5
7
3400
95,57
43,7
96,55
3
1,2
1,5
5
3400
95,57
44,3
96,50
4
1,2
1,5
7
2880
96,25
39,3
96,89
5
2
0,5
5
3900
94,92
45,2
96,43
6
2
0,5
7
3820
95,03
44,5
96,48
7
2
1,5
5
6720
91,25
57,8
95,43
8
2
1,5
7
5760
92,50
52,3
95,87
9
0,8
1
6
3800
95,05
42,5
96,64
10
2,4
1
6
5760
92,50
53,2
95,79
11
1,6
0,25
6
2880
96,25
42,7
96,62
12
1,6
1,75
6
4320
94,38
43,6
96,55
13
1,6
1
4
4800
93,75
49,2
96,11
14
1,6
1
8
4320
94,38
44,2
96,51
15
1,6
1
6
2880
96,25
38,9
96,92
16
1,6
1
6
2880
96,25
39,4
96,89
17
1,6
1
6
2880
96,25
39,2
96,90
132
95,03
(NTU)
96,62
2. Plan d’étude des effets :
a) Effet propre des facteurs sur les réponses du système :
Avant de procéder à l’évaluation de l’efficacité de l’opération de traitement, on a pu établir
théoriquement l’effet propre de chaque facteur sur les réponses retenues (figure 66 et 67).
L’examen de ces figures montre que les effets les plus importants sur la turbidité et la DCO
sont ceux du coagulant, suivi par ceux du floculant et puis ceux du pH. Ces résultats
suggèrent que pour diminuer la turbidité et la DCO, il faut contrôler ces paramètres qui ont un
effet donc négatif pour l’opération de traitement.
0,6
0,4
0,2
Effetssur la DCO
0
-0,2
Coagulant
Floculant
PH
-0,4
-0,6
-0,8
-1
-1,2
Facteurs
Figure 66: Effets propres des facteurs opératoires sur la réponse du système DCO
0,15
0,1
Effet sur la turbidité
0,05
0
-0,05
Coagulant
floculant
PH
-0,1
-0,15
-0,2
-0,25
-0,3
Facteurs
Figure 67: Effets propres des facteurs opératoires sur la réponse du système Turbidité
133
b) Effet principal des paramètres opératoires sur l’efficacité de traitement :
Les figures 68 et 69 montrent que les variations qui se produisent dans les réponses
(Turbidité, DCO et Conductivité) quand les niveaux des facteurs étaient changés de bas
niveau (-) à niveau élevé (+), passant par le point central (0).
La concentration en coagulant apparait comme un facteur prédominant dans le processus de
traitement pas coagulation floculation. Les figures suivantes représentes les diagrammes
d’effet principal de la concentration en coagulant (X1) sur la DCO (68), et la turbidité (69).
Cette figure montre que la DCO et la turbidité de notre effluent est caractérisé par un point au
la DCO est minimale, cette dernière augmente au fur et à mesure que l’on s’éloigne du point
central où la concentration en coagulant est égale à 1,6 g/l. cette augmentation se traduit par
une surdose du coagulant est donc par la ré-stabilisation des particules colloïdales ainsi la
disponibilité de leurs site diminues et empêches la formation des ponts interarticulaires est on
aura donc une eau très chargés en coagulant.
Figure 68 : Effet principal de la concentration en coagulant sur la réponse du système D.C.O
134
Figure 69 : Effet principal de la concentration en coagulant sur la réponse du système Turbidité
Les figures suivantes présentes les diagrammes d’effet de la concentration en floculant sur la
DCO (70), et la turbidité (71) dans le traitement de l’effluent. Il apparaît que l’augmentation
de la dose injectée du floculant favorise l’augmentation de le DCO et la turbidité.
Pour la turbidité on remarque que le floculant n’a pas une grande influence (Figure 71).
Figure 70: Effet principal de la concentration en floculant sur la réponse du système: D.C.O
135
Figure 71: Effet principal de la concentration en floculant sur la réponse du système: Turbidité
Les diagrammes des effets (figure 72 et 73 ) indiquent qu’une augmentation du pH se traduit
par une diminution de la turbidité et de la DCO, cette dernière commence à augmenter
progressivement pour des valeurs du pH supérieur à 6. Par contre la turbidité atteint une
valeur minimale pour une valeur de pH égale à 7.
Figure 72: Effet principal du PH sur la réponse du système: D.C.O
136
Figure 73 : Effet principal du PH sur la réponse du système: Turbidité
3. Estimation des réponses optimales à partir des observations :
a) Courbes d’iso-réponses :
La représentation géométrique de la réponse dans l’espace des variables, nous permet de
tracer les courbes d’iso-réponses de la DCO et de la turbidité en fonction de différents
facteurs. Leur analyse met en évidence l’influence des facteurs sur la réponse et permet aussi
de déterminer une région optimale ou la turbidité et la DCO sont minimales.
Les figures suivantes regroupent les courbes d’iso-réponses de la DCO en fonction de la
concentration en coagulant et de la concentration en floculant (figure 74), et la DCO en
fonction de la concentration en coagulant et le pH (Figure 75).
Figure 74: Courbe d'iso-réponse de la DCO en fonction de la dose du coagulant X1 et la dose du
floculant X2
137
Figure 75: Courbe d'iso-réponse de la DCO en fonction de la dose du coagulant X1 et le pH X3
Il apparait nettement sur les courbes d’iso-réponses l’existence d’une région optimale qui
correspond à DCO minimale. Cette zone correspond à une concentration en coagulant
comprise entre 0,8 g/l et 1,6 g/l, pour un pH compris entre 6 et 8, et une concentration en
floculant comprise entre 0,25 g/l et 1 g/l
Les figures suivantes regroupent les courbes d’iso-réponses de la turbidité en fonction de la
concentration en coagulant et de la concentration en floculant (figure 76), et la turbidité en
fonction de la concentration en coagulant et le pH (figure 77).
Figure 76: Courbe d'iso-réponse de la turbidité en fonction de la dose du coagulant X1 et la dose du
floculant X2
138
Figure77: Courbe d'iso-réponse de la turbidité en fonction de la dose du coagulant X1 et le pH X3
D’après les courbes d’iso-réponses on remarque l’existence d’une région optimale qui
correspond à une turbidité minimale (turbidité <40). Cette zone correspond à une
concentration en coagulant comprise entre 0,8 g/l et 1,6 g/l, pour un ph compris entre 5 et 8.
4. Conclusion :
En conclusion de cette analyse, on en déduit qu’un meilleur traitement par coagulation
floculation peut conduire à une solution dont la turbidité est inférieur à 40 NTU, une DCO
inférieur à 3000 mgO2/l, en utilisant les conditions opératoires suivantes:
-
La concentration en coagulant : 0,8 – 1,6 g/l
-
La concentration en floculant : 0,25 – 1 g/l
-
Une gamme de pH : 6 – 8
IV.
Modélisation en surfaces de réponse :
Les effets des facteurs et des interactions influents sont alors donnés dans le tableau (17).
A partir des éléments de ce tableau, l’analyse montre que les valeurs des effets des différents
paramètres sont très proches pour les deux réponses étudiées. Ainsi, le paramètre
concentration en coagulant (X1) est toujours le facteur prépondérant par son effet
remarquable sur l’abattement de la turbidité et de la DCO. Ces résultats montrent aussi que les
effets de la concentration en floculant sur la DCO sont plus important que ceux du pH, alors
139
que les effets du pH sur la turbidité sont plus important que ceux du floculant. Ainsi que, la
concentration en coagulant et en floculant sont inversement proportionnel à l’abattement de la
turbidité et de la DCO.
Tandis que, l’augmentation du pH de la solution a conduit à l’augmentation de l’abattement
de la turbidité et de la DCO.
Tableau 127: Effets des facteurs et des interactions sur les réponses pour le plan d’étude des effets
Facteur
DCO
Turbidité
Coagulant = X1
-0,86
-0,25
Floculant = X2
-0,54
-0,095
pH
0,24
0,1
Coag*floc = X1*X2
-0,93
-0,228
Coag*pH = X1*X3
0,02
0,02
Floc*pH = X2*X3
0,16
0,106
= X3
Coag²
= X1²
-0,63
-0,1789
floc²
pH²
= X2²
= X3²
-0,25
-0,086
-0,56
-0,155
L’étude des effets des facteurs a donc permis ici de donner plusieurs réglages permettant
d’optimiser les variables opératoires conduisant à une meilleure efficacité de traitement de
l’effluent de Lesieur cristal par coagulation/floculation. Dans la section suivante, la
méthodologie des surfaces de réponse va être utilisée afin d’améliorer les résultats de
l’abattement de la turbidité et de la DCO en allant chercher un point optimal au-delà des
niveaux fixés pour l’étude des effets.
Les résultats expérimentaux obtenus sont analysés par une procédure de régression de surface
de réponse d’un système d’analyse statistique et sont évalués sous la forme d’une équation
polynomiale de deuxième ordre (Eq. 16).
Les modèles de régression quadratique pour l’abattement de la Demande Chimique en
Oxygène à la sortie du traitement (Y1, %) et de la turbidité (Y2, %) en termes de facteurs
codés sont donnés par l’Eq. 17 et l’Eq. 18 respectivement :
140
Y1(%) = 96,133 - 0,864 X1 - 0,545 X2 + 0,24 X3 – 0,927 X1*X2 + 0,017 X1*X3 + 0,16 X2*X3
– 0,633 X12 – 0,248 X22 – 0,561 X32
(17)
Y2 (%) = 96,849 - 0,253 X1 – 0,096 X2 + 0,1 X3 – 0,229 X1*X2 + 0,021 X1*X3 –
0 ,106 X2*X3 – 0,179 X12 – 0,086 X22 – 0,155 X32
(18)
1. Analyse statistique des résultats :
Les modèles de régression de second ordre obtenus pour les variables d'opération de
l’abattement de la turbidité et de la DCO sont satisfaits puisque les valeurs estimées et les
valeurs expérimentales se retrouvent proches de la ligne droite (Figure 78 et 79).
La confrontation des valeurs estimées et expérimentales permet de confirmer la qualité de la
modélisation. Une valeur élevée de R2, près de 1, est souhaitable et le R2 prévu (prédit) doit
être en accord raisonnable avec le R2 ajusté pour un modèle significatif. De plus, la valeur du
coefficient de détermination R2 pour l’abattement de la DCO et pour la turbidité sont de 0,95
et 0,92 respectivement. Dans ce cas, nous avons seulement de 5 - 8 % de toute la variation ne
sont pas expliqué par le modèle. Des valeurs élevées de R2ajusté de 0,9 et de 0,8 pour la DCO
et la turbidité respectivement, permettent alors ici de prédire une bonne description du
modèle.
Figure 78: Test graphique d’adéquation du modèle (Réponse abattement DCO)
141
Figure 79: Test graphique d’adéquation du modèle (Réponse abattement Turbidité)
La qualité descriptive du modèle est ici illustrée mais une deuxième analyse de variance par le
biais du tableau ANOVA [32] va permettre de vérifier si le modèle donne une approximation
suffisante à l’essai réel.
L’objectif ici est de rejeter le manque de « fit » entre le modèle et les données expérimentales
au moyen de la statistique Fcritique (F(α,p −1,N− p) pour α = 0.05).
Le test statistique du modèle a été examiné avec le test statistique de Fisher pour l’analyse de
la variance (ANOVA). Les résultats de L'ANOVA pour l’abattement de la DCO et la turbidité
sont donnés dans le tableau (18 et 19). L'ANOVA de ces réponses a prouvé que les deux
modèles sont fortement significatifs selon la valeur de la statistique de F (le rapport de la
moyenne des carrés due à la régression et de la moyenne des carrés résiduelle), (Fmodèle (a)
= 16,7401 et F modèle(b) = 8,9717) et une valeur très basse de probabilité (P = 0,0006 (a) et
P= 0,0043 (b)). Pour une valeur de P inférieur à 0.01 indique que le modèle est considéré
statistiquement significatif [33].
Tableau 18: ANOVA : analyse de régression (Réponse DCO)
Source de
Degrés de
Somme des
Carrés des
variation
liberté
carrées
moyennes
Modèle
9
34,887479
3,87639
Résidus
7
1,620945
0,23156
Fit
5
1,6209446
0,324189
Erreur pure
2
0,0
0
142
F
Proba (P)
16,7401
0,0006
-
-
Tableau 19: ANOVA : analyse de régression (Réponse Turbidité)
Source de
Degrés de
Somme des
Carrés des
variation
liberté
carrées
moyennes
Modèle
9
2 ,631613
0,292401
Résidus
7
0,2281399
0,032591
Fit
5
0,22767328
0,045535
Erreur pure
2
0,00046667
0,000233
F
Proba (P)
8,9717
0,0043
195,1485
0,0051
2. Analyse graphique des résultats :
Le domaine expérimental étant choisi à partir de la variation de trois facteurs, il est difficile de
restituer de façon simple la variation de la réponse. On a donc recours à des coupes de
projections qui consistent à fixer un niveau donné à certains facteurs. Les espaces de
représentation des surfaces de réponse sont définis à partir de la variation de deux facteurs.
Nous utiliserons le logiciel de plan d’expériences MODDE pour la construction de ces
graphiques. L’analyse graphique du modèle consiste à restituer l’équation de ce dernier sous
deux formes : les surfaces de réponse et les courbes iso-réponses.
a) Courbes de surfaces de réponses :
Les surfaces de réponses sont des graphiques en trois dimensions. Le plan horizontal de la
figure indique le domaine de variation de deux facteurs ; l’axe vertical indique la variation de
la réponse à partir du modèle. Au-delà des deux facteurs, il est nécessaire de maintenir à un
niveau constant les facteurs dont les variations ne sont pas décrites dans le plan horizontal. La
représentation graphique du modèle par des courbes de surfaces de réponses permet assez
facilement de déceler graphiquement la localisation de l’optimum.
La figure (80 et 81) et la figure (82 a et 83) illustrent les courbes de surfaces de réponse de
l’abattement de la DCO (Y1, %)) et de la Turbidité (Y2, %) en fonction des variables
opératoires.
Les figures 80 et 81 montrent l’effet de la concentration en coagulant et en floculant sur la
réponse en ayant fixé le PH à 6. Il apparaît clairement, que les valeurs de l’abattement de la
143
DCO et de la turbidité diminuent avec la concentration en coagulant. Il semble qu’une
meilleure coagulation floculation est observée à partir d’une concentration en coagulant
inférieur à 1,6 g/l et supérieur à 0,8 g/l. D’autre part, l’effet de la dose en floculant sur la
réponse du système montre que les meilleurs résultats sont observés dans un intervalle de 0,25
– 1 g/l.
La courbe de surface de réponse des figures (82 et 83) illustre l’effet de la concentration en
coagulant et le PH sur la DCO et la turbidité pour une concentration en floculant de 1 g/l.
D’après ces courbes de surface de réponse, on remarque qu’on atteint des valeurs minimales
en DCO et en Turbidité pour des concentrations en coagulant comprises entre 1,2 et 1,6 g/l,
où le pH est compris entre 5 et 6.
Pour des valeurs de pH >7, l’efficacité d’élimination chute progressivement. On peut dire que
le traitement par coagulation floculation est favorisé dans un milieu de pH situé au voisinage
de la neutralité.
Figure 80: Courbe de surface de réponse de l’abattement de la DCO en fonction de la dose du
coagulant et du floculant, pH = 6
144
Figure 81 : Courbe de surface de réponse de l’abattement de la turbidité en fonction de la dose du
coagulant et du floculant, pH = 6
Figure 82: Courbe de surface de réponse de l’abattement de la DCO en fonction de la concentration
du coagulant et du pH, concentration du floculant = 1 g/l
145
Figure 83 : Courbe de surface de réponse de l’abattement de la Turbidité en fonction de la
concentration du coagulant et du pH, concentration du floculant = 1 g/l
b) Courbes iso-réponses :
La représentation graphique du modèle préétabli, dans l’espace des variables permet d’obtenir
des courbes iso-réponses. Ces dernières constituent une projection de surface de réponse dans
le plan horizontal (Figures 84, 85, 86 et 87). Elles s’interprètent comme des courbes de
niveaux sur les quelles est projetée la valeur de la réponse. Au-delà de deux facteurs, il est
nécessaire de maintenir à un niveau constant les facteurs dont les variations ne sont pas
décrites dans le plan horizontal. En mettant les valeurs prédites par le modèle sous forme de
courbes d’iso-réponses, nous pouvons analyser l’effet des facteurs sur la réponse.
Les figures (84 et 85) représentent les courbes iso-réponses de l’abattement de la DCO (84)
et de la turbidité (85) en fonction de la concentration en coagulant et la concentration en
floculant pour une valeur de pH égale à 6.
Les figures (86 et 87) représentent les courbes iso-réponses de l’abattement de la DCO (86)
et de la turbidité (87) en fonction de la concentration en coagulant et le pH pour une
concentration en floculant de 1 g/l.
146
On peut voir sur les courbes de ces figures, que les valeurs optimales en abattement de la
DCO (supérieur à 96%) et en turbidité (supérieur 96,8%) correspondent à des concentrations
de coagulant (Fecl3) comprises entre 1,2 et 1,8 g/l,
et des concentrations en floculant
comprise entre 0,25 et 1 g/l. L’abattement en DCO et en turbidité diminuent au fur et à
mesure
que
l’on
s’éloigne
de
ces
deux
gammes
de
concentration.
La DCO et turbidité minimales à la fin du traitement correspond à un effluent traité à pH 6.
Figure 84: courbes d'iso-réponses de la DCO en fonction de la concentration en coagulant et la
concentration en floculant, pH = 6
Figure 85: courbes d'iso-réponses de l’abattement de la Turbidité en fonction de la concentration en
coagulant et la concentration en floculant, pH = 6
147
Figure 86: Courbes d'iso-réponses de l’abattement de la DCO en fonction de la concentration en
coagulant et le pH, Concentration en floculant = 1 g/l
Figure 87 : Courbes d'iso-réponses de l’abattement de la Turbidité en fonction de la concentration en
coagulant et le pH, Concentration en floculant = 1 g/l
148
Conclusion :
Après analyse du système et modélisation de la réponse en fonction des différents facteurs,
l’optimum peut être localisé par la méthode du tracé des courbes de surface de réponses et
iso-réponses.
Il apparait nettement sur les courbes d’iso-réponse l’existence d’une région optimale qui
correspond à une turbidité et de DCO minimales. Cependant, les courbes de surface de
réponse de la DCO et de la turbidité présente une claire crête, correspondant à la zone
optimale de la réponse.
Les résultats de l’optimisation sont rassemblés dans le tableau 20 Ces valeurs optimales sont
expérimentalement validées. Ces résultats témoignent que la méthodologie en surface de
réponse (RSM) peut ainsi être un bon outil d’optimisation dans le domaine de traitement des
effluents.
Tableau 20: Valeurs optimales des variables opératoires
Paramètres optimaux
Concentration en
Concentration en
coagulant (g/l)
Floculant (g/l)
1,48
0,37
Réponse
pH
DCO (%)
Turbidité (%)
6,57
96,77
96,91
149
PARTIE VII :
Comparaison du coût de traitement général de
l’effluent de Lesieur cristal et le coût du
traitement des effluents séparés (Lessive +
effluent sans lessive)
150
Introduction
Dans cette partie nous allons effectuer un ensemble d’étude qui nous permettrons de faire la
comparaison entre deux cas de traitement de l’effluent de Lesieur cristal.
Le premier cas consiste en un traitement habituel du rejet global.
Le deuxième cas consiste en un traitement des effluents séparés, traitement de la lessive (rejet
savonnerie), puis un traitement du reste de l’effluent (rejets de l’unité de cassage de pates et
de la raffinerie).
Les étapes du traitement prises en considération dans cette étude pour ces rejets sont les
suivantes :
-
Déshuilage, Dégraissage.
-
Traitement physique par flottation.
-
Traitement physico-chimique par Coagulation-floculation, en utilisant le chlorure
ferrique FeCl3 40% comme coagulant.
En amont de ces étapes, une étape d’acidification à pH=1,5 des effluents est rajoutée au
traitement en utilisant l’acide sulfurique 98%. Cette étape permet d’éliminer les résidus du
savon présent dans l’effluent et par la suite la formation des acides gras qui peuvent être
facilement éliminer lors du dégraissage. L’élimination d’une fraction importante de la matière
grasse lors de cette étape permet d’économiser au niveau de la quantité du coagulant employé
au niveau de l’étape physico-chimique.
Après la flottation, on utilise de la soude NaOH 48% qui permettra d’augmenter le pH à des
valeurs au le traitement par le chlorure ferrique est optimal (pH = [6,5-7]).
151
Chapitre 1 : Le coût du traitement de l’effluent
général
I.
Présentation de l’effluent :
L’effluent à l’entrée de la station contient les eaux usées industriel en provenance des
différentes unités de l’usine, à savoir la raffinerie, la savonnerie et l’unité de cassage de pates,
en plus des eaux de nettoyage, les eaux résultantes du débordement des tours de
refroidissement, ainsi que les eaux ménagères en provenance de l’administration, du
restaurant et des toilettes.
D’après la quantification des débits évoqués dans les chapitres précédents, le débit de
l’effluent à l’entrée de la station est estimé à environ 1000 m3/jour.
Les caractéristiques de cette eau sont présentées dans la deuxième partie du rapport.
II.
Acidification à pH=1,5 :
1. Détermination de la quantité d’acide sulfurique nécessaire pour
l’acidification :
Des tests ont été réalisés au niveau du laboratoire ont permis de déterminer la quantité d’acide
nécessaire pour diminuer le pH de l’effluent jusqu’à un pH de 1,5.
 Manipulation :
On place 50 ml de l’échantillon dans un bécher, puis on ajoute progressivement de l’acide
sulfurique 98% en utilisant une pipette de 1 ml, puis on fait un suivi du pH en utilisant un pH
mètre, puis on détermine le volume d’H2SO4 ajouté pour atteindre un pH de 1,5.
 Résultat :
Le tableau (21) représente les résultats de la manipulation :
Tableau 213: Résultat de l'acidification de l'effluent à l'entrée de la station à pH=1,5
Effluent
Volume (ml)
pH initial
Volume H2SO4
pH final
ajouté (ml)
Entrée Station
50
6,2
152
0,07
1,5
La quantité d’acide nécessaire pour l’acidification de 50 ml de l’effluent (pH initial = 6,3) est
de 0,07 ml de H2SO4 98%.
2. Consommation de l’acide sulfurique :
Le débit à l’entrée de la station : Q = 1000 m3/jour.
-
La consommation de l’acide sulfurique journalière est estimée à :
0,07 ml de H2SO4
pour 50ml de l’effluent
Consommation(H2SO4) ?
pour 1000m3
1000∗0,07
Consommation(H2SO4) =
-
50
= 1,4 m3 /jour
La consommation de l’acide sulfurique mensuelle est estimée à :
Consommation (H2SO4) = 1,4 * 30 = 42 m3/mois
3. Coût de l’acide sulfurique :
-
Le coût de l’acide sulfurique est de 1 dhs / kg.
-
La consommation mensuelle de l’acide sulfurique est de :
**sachant que : densité (H2SO4 98%) = 1,82 T/m3.
Consommation (H2SO4) = 42 * densité (H2SO4 98%)
= 42 * 1,82
Consommation (H2SO4) = 76,44 T/mois
-
III.
Coût Acide sulfurique = 76,44 * 1000 = 76 440 dhs/mois
Augmentation du pH à 6 :
Après acidification, on utilise la soude NaOH 48% pour augmenter le pH à 6, avant de passer
au traitement physico chimique.
153
1. Détermination de la quantité de soude nécessaire pour augmenter le pH à 6:
Des tests ont été réalisés au niveau du laboratoire ont permis de déterminer la quantité de
soude nécessaire pour augmenter le pH de l’effluent jusqu’à un pH de 6.
 Manipulation :
On place le volume de 50ml de l’effluent ayant été acidifié auparavant à un pH = 1,5 dans un
bécher, et on ajoute progressivement du NaOH 48%, et on effectue le suivi du pH à l’aide
d’un pH mètre.
 Résultat :
Le tableau (22) présente les résultats de la manipulation :
Tableau 214: Volume d'acide sulfurique nécessaire pour acidifier l'effluent à PH=1,5
Effluent
Volume (ml)
pH initial
Volume NaOH
pH final
ajouté (ml)
Entrée station
50
1,5
0,16
6
Le volume de NaOH 48% nécessaire pour augmenter le pH à 6 de 50ml de l’effluent est de
0,16 ml.
2. Consommation de NaOH:
Le débit à l’entrée de la station : Q = 1000 m3/jour.
-
La consommation de la soude journalière est estimée à :
0,16 ml de NaOH
pour 50ml de l’effluent
Consommation(NaOH)?
pour 1000m3
1000∗0,16
Consommation(NaOH) =
-
50
= 3,2 m3 /jour
La consommation de NaOH mensuelle est estimée à :
Consommation (NaOH) = 3,2 * 30 = 96 m3/mois
3. Coût de la soude :
-
Le coût de la soude est de 3,4 dhs / kg.
-
La consommation mensuelle de l’acide sulfurique est de :
**sachant que : densité (NaOH 48%) = 1,54 T/m3.
154
Consommation (NaOH) = 96 * densité (NaOH 48%)
= 96 * 1,54
Consommation (NaOH) = 147,84 T/mois
-
Coût de la soude = 147,84 * 3400 = 502 656 dhs/mois
 L’étape de l’acidification + la neutralisation a permis un abattement de 26% de la DCO
et de la faire passer de 92 400 à 68 610 mg O2/l.
IV.
Traitement Physico-chimique :
Après avoir favorisé l’élimination de la matière grasse durant l’étape du dégraissage en
diminuant le pH à 1,5. Le pH a été augmenté pour atteindre une valeur de 6 en utilisant de la
soude. Après, on passe au traitement physico chimique, où on injecte le coagulant à une
certaine concentration, ainsi que le floculant, ces deux derniers, coagulant + floculant, doivent
être injectés à des doses optimales permettant d’éliminer au maximum la DCO (Demande
chimique en oxygène).
Les valeurs optimales en Coagulant et en floculant ont été déterminées on utilisant la
méthodologie de surface de réponse, l’étude a été présentée dans la partie précédente permet
un abattement de la DCO égal à 95%. (Optimisation du traitement physico-chimique des eaux
usées de Lesieur cristal en utilisant la méthodologie des surfaces de réponse).
1. Consommation en coagulant :
La dose optimale en coagulant (FeCl3 40%) à injecter au niveau du traitement physico
chimique est de : 3,7 ml/l soit 5,18 g/l (5,18 kg/m3) (Masse volumique de FeCl3 = 1,4 kg/l),
permettra de faire passer la DCO de 68610 à 3430 mg O2/l.
Le débit à l’entrée de la station : Q = 1000 m3/jour.
-
La consommation du chlorure ferrique journalière est estimée à :
Consommation (FeCl3 40%) = 5,18 * 1000 = 5180 kg/jour.
-
La consommation du chlorure ferrique mensuelle est estimée à :
Consommation (FeCl3 40%) =5180 * 30 = 155,4 T/mois
2. Coût du coagulant :
-
Le coût du coagulant est de 3,3 dhs/kg
155
-
Le coût du coagulant est estimé à:
Coût chlorure ferrique = 155,4 * 3300 = 512 820 dhs/mois
3. Consommation en floculant :
La dose optimale en floculant dilué à injecter au niveau du traitement physico chimique est
de : 0,62 ml/l soit 0,6 g/l (0,6 kg/m3).
Le débit à l’entrée de la station : Q = 1000 m3/jour.
-
La consommation du floculant journalière est estimée à :
Consommation (Floculant dilué) = 0,6 * 1000 = 600 kg/jour.
-
La consommation du chlorure ferrique mensuelle est estimée à :
Consommation (Floculant dilué) = 600 * 30 = 18 T/mois
4. Coût floculant :
-
Le coût du floculant pur est de 31 dhs/kg
Le floculant pur subit une dilution de 1/10.
Puisque la consommation en floculant dilué est de 18 T/mois, celle du floculant pur sera
de 1,8 T/mois.
-
Le coût du floculant est estimé à:
Coût floculant = 1,8 * 31000 = 55 800 dhs/mois
V.
Coût global du traitement de l’effluent de Lesieur cristal :
Le tableau (23) représente le coût global du traitement de l’effluent de Lesieur cristal :
Tableau 215: Coût mensuel de traitement des eaux usées de Lesieur cristal
Effluent
Acide sulfurique
Soude
Chlorure ferrique
Floculant
Total
Coût (Dhs)
120 120
502 656
512 820
55 800
1 191 396
156
Chapitre 2 : Le coût du traitement du rejet de la
savonnerie
I.
Présentation de l’effluent :
Le débit du rejet de la savonnerie est évalué à environ : 60 m3/jour.
-
La lessive de soude utilisée pour la saponification d’un ph très élevé ;
-
Les huiles : Les huiles végétales utilisées ici sont un mélange d’acides gras qui ne sont
pas saponifié, « «acides gras insaponifiables ».
-
Les savons non récupérés.
-
Les ions Na+ et Cl- provenant de NaCl et NaOH.
Les caractéristiques de cette eau ont été présentées dans la deuxième partie du rapport.
II.
Acidification à pH=1,5 :
1. Détermination de la quantité d’acide sulfurique nécessaire pour
l’acidification :
Des tests ont été réalisés au niveau du laboratoire ont permis de déterminer la quantité d’acide
nécessaire pour diminuer le pH de l’effluent jusqu’à un pH de 1,5.
 Manipulation :
On place 100 ml de l’échantillon dans un bécher, puis on ajoute progressivement de l’acide
sulfurique 98% en utilisant une pipette de 1 ml, puis on fait un suivi du pH on utilisant un pH
mètre, puis on détermine le volume d’H2SO4 ajouté pour atteindre un pH de 1,5.
 Résultat :
La figure suivante représente l’évolution du pH en fonction du volume de H2SO4 ajouté.
157
14
12
pH
10
8
6
4
2
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
Volume H2SO4 (ml)
Figure 88 : l’évolution du PH en fonction du volume de H2SO4 ajouté.
Les figures suivantes représentent une image de l’effluent avant (figure 89) et après (figure
90) cassage à l’acide sulfurique, la variation de l’état de l’effluent a été observé à pH= 2,8.
Figure 89: Effluent de la savonnerie avant
Figure 90: Effluent de la savonnerie après ajout de
ajout de H2SO4, pH=12,35
H2SO4, pH= 1,5
Le tableau (24) représente les résultats de la manipulation :
158
Tableau 216: Résultat de l'acidification de l'effluent à l'entrée de la station à pH=1,5
Effluent
Volume (ml)
PH initial
Volume H2SO4
ajouté (ml)
pH final
Savonnerie
100
12,35
0,62
1,5
La quantité d’acide nécessaire pour l’acidification de 100 ml de l’effluent de la savonnerie
(pH initial = 12,35) est de 0,62 ml de H2SO4 98%.
2. Consommation de l’acide sulfurique :
Le débit de la savonnerie: Q = 60 m3/jour.
-
La consommation de l’acide sulfurique journalière est estimée à :
0,62 ml de H2SO4
pour 100ml de l’effluent
Consommation(H2SO4) ?
pour 60 m3
60∗0,62
Consommation(H2SO4) =
-
100
= 0,37 m3 /jour
La consommation de l’acide sulfurique mensuelle est estimée à :
Consommation (H2SO4) = 0,37 * 30 = 11,1 m3/mois
3. Coût de l’acide sulfurique :
-
Le coût de l’acide sulfurique est de 1 dhs / kg.
-
La consommation mensuelle de l’acide sulfurique est de :
**sachant que : densité (H2SO4 98%) = 1,82 T/m3.
Consommation (H2SO4) = 11,1 * densité (H2SO4 98%)
= 11,1 * 1,82
Consommation (H2SO4) = 20,3 T/mois
-
Coût Acide sulfurique = 20,2 * 1000 = 20 300 dhs/mois
159
III.
Augmentation du pH à 6 :
Après acidification, on utilise la soude NaOH 48% pour augmenter le pH à 6, avant de passer
au traitement physico chimique.
1. Détermination de la quantité de soude nécessaire pour augmenter le pH à 6 :
Des tests ont été réalisés au niveau du laboratoire ont permis de déterminer la quantité de
soude nécessaire pour augmenter le pH de l’effluent de la savonnerie jusqu’à un pH de 6.
 Manipulation :
On place le volume de 100 ml de l’effluent ayant été acidifié auparavant à un pH = 1,5 dans
un bécher, et on ajoute progressivement du NaOH 48%, et on effectue le suivi du pH à l’aide
d’un pH mètre.
 Résultat :
Le tableau (25) présente les résultats de la manipulation :
Tableau 217: Résultat de neutralisation du rejet de la savonnerie, pH =6
Effluent
Volume (ml)
pH initial
Volume NaOH
ajouté (ml)
pH final
Savonnerie
100
1,5
0,36
6
Le volume de NaOH 48% nécessaire pour augmenter le pH à 6 de 100ml de l’effluent de la
savonnerie est de 0,36 ml.
2. Consommation de NaOH:
Le débit de la savonnerie est de : Q = 60 m3/jour.
-
La consommation de la soude journalière est estimée à :
0,36 ml de NaOH
pour 100ml de l’effluent
Consommation(NaOH)?
pour 60 m3
0,36∗60
Consommation(NaOH) =
-
100
= 0,21 m3 /jour
La consommation de NaOH mensuelle est estimée à :
Consommation (NaOH) = 0,21 * 30 = 6,48 m3/mois
160
3. Coût de la soude :
-
Le coût de la soude est de 3,4 dhs / kg.
-
La consommation mensuelle de l’acide sulfurique est de :
**sachant que : densité (NaOH 48%) = 1,54 T/m3.
Consommation (NaOH) = 6,48 * densité (NaOH 48%)
= 6,48 * 1,54
Consommation (NaOH) = 9,98 T/mois = 10 T/mois
-
Coût de la soude = 10 * 3400 = 34 000 dhs/mois
 L’étape de l’acidification + la neutralisation a permis un abattement de 23% de la DCO
et de la faire passer de 125 592 à 96 400 mg O2/l.
IV.
Traitement Physico-chimique :
Après avoir favorisé l’élimination de la matière grasse durant l’étape du dégraissage en
diminuant le pH à 1,5. Le pH a été augmenté pour atteindre une valeur de 6 en utilisant de la
soude. Après, on passe au traitement physico chimique, où on injecte le coagulant à une
certaine concentration, ainsi que le floculant, ces deux derniers, coagulant + floculant, doivent
être injectés à des doses optimales permettant d’éliminer au maximum la DCO (Demande
chimique en oxygène).
Un essai de jar-test effectué au niveau du laboratoire sur le rejet de la savonnerie a permis de
montrer que la dose optimale en coagulant est égale à 11 ml/l ( 15,4 g/l) pour un pH = 6 et une
dose en floculant de 0,5 ml/l (0,5 g/l), l’application de ces concentration ont permis un
abattement de la DCO de 92%.
1. Consommation en coagulant :
La dose optimale en coagulant (FeCl3 40%) à injecter au niveau du traitement physico
chimique est de : 11 ml/l soit 15,4 g/l (15,4 kg/m3), permettra de faire passer la DCO de
96400 à 7710 mg O2/l.
Le débit est de: Q = 60 m3/jour.
-
La consommation du chlorure ferrique journalière est estimée à :
Consommation (FeCl3 40%) = 15,4 * 60 = 924 kg/jour.
161
-
La consommation du chlorure ferrique mensuelle est estimée à :
Consommation (FeCl3 40%) = 924 * 30 = 27,7 T/mois
2. Coût du coagulant :
-
Le coût du coagulant est de 3,3 dhs/kg
-
Le coût du coagulant est estimé à :
Coût chlorure ferrique = 27,7 * 3300 = 91 410 dhs/mois
3. Consommation en floculant :
La dose optimale en floculant dilué à injecter au niveau du traitement physico chimique est
de : 0,5 ml/l soit 0,5 g/l (0,5 kg/m3).
Le débit de la savonnerie est de : Q = 60 m3/jour.
-
La consommation du floculant journalière est estimée à :
Consommation (Floculant dilué) = 0,5 * 60 = 30 kg/jour.
-
La consommation du chlorure ferrique mensuelle est estimée à :
Consommation (Floculant dilué) = 30 * 30 = 900 kg/mois
4. Coût floculant :
-
Le coût du floculant pur est de 31 dhs/kg
Le floculant pur subit une dilution de 1/10.
Puisque la consommation en floculant dilué est de 0,9 T/mois, celle du floculant pur sera
de 0,09 T/mois.
-
Le coût du floculant est estimé à :
Coût floculant = 0,09 * 31000 = 2790 dhs/mois
V.
Coût global du traitement du rejet de la savonnerie :
Le tableau (26) représente le coût global du traitement du rejet de la savonnerie en DHs :
Tableau 218: Coût mensuel de traitement du rejet de la savonnerie de Lesieur cristal
Effluent
Acide sulfurique
Soude
Chlorure ferrique
Floculant
Coût (Dhs)
20 300
34 000
91 410
2790
162
Total
148 500
Chapitre 3 : Le coût du traitement de l’effluent
général sans lessive
I.
Présentation de l’effluent :
L’effluent à l’entrée de la station contient les eaux usées industriel en provenance des
différentes unités de l’usine excepte ceux de la savonnerie sui vont être traités seuls.
D’après la quantification des débits évoqués dans les chapitres précédents, le débit de
l’effluent à l’entrée de la station est estimé à environ 1000 m3/jour, si on élimine le débit en
provenance de la savonnerie (60 m3/jour) le débit sera estimé à 940 m3/jour.
Les caractéristiques de cette eau sont présentées dans la deuxième partie du rapport.
II.
Acidification à pH=1,5 :
1. Détermination de la quantité d’acide sulfurique nécessaire pour
l’acidification :
Des tests ont été réalisés au niveau du laboratoire ont permis de déterminer la quantité d’acide
nécessaire pour diminuer le pH de cet effluent jusqu’à un pH de 1,5.
 Manipulation :
On place 100 ml de l’échantillon dans un bécher, puis on ajoute progressivement de l’acide
sulfurique 98% en utilisant une pipette de 1 ml, puis on fait un suivi du pH en utilisant un pH
mètre, puis on détermine le volume d’H2SO4 ajouté pour atteindre un pH de 1,5.
 Résultat :
Le tableau (27) représente les résultats de la manipulation :
Tableau 219: Résultat de l'acidification de l'effluent à l'entrée de la station à pH=1,5
Effluent
Volume (ml)
pH initial
Volume H2SO4
pH final
ajouté (ml)
Général sans
100
3,2
0,1
1,5
lessive
La quantité d’acide nécessaire pour l’acidification de 100 ml de l’effluent général sans lessive
(pH initial = 3,2) est de 0,1 ml de H2SO4 98%.
163
2. Consommation de l’acide sulfurique :
Le débit à l’entrée de la station : Q = 940 m3/jour.
-
La consommation de l’acide sulfurique journalière est estimée à :
0,1 ml de H2SO4
pour 100ml de l’effluent
Consommation(H2SO4) ?
pour 940m3
940∗0,1
Consommation(H2SO4) =
-
100
= 0,94 m3 /jour
La consommation de l’acide sulfurique mensuelle est estimée à :
Consommation (H2SO4) = 0,94 * 30 = 28,2 m3/mois
3. Coût de l’acide sulfurique :
-
Le coût de l’acide sulfurique est de 1 dhs / kg.
-
La consommation mensuelle de l’acide sulfurique est de :
**sachant que : densité (H2SO4 98%) = 1,82 T/m3.
Consommation (H2SO4) = 28,2 * densité (H2SO4 98%)
= 28,2 * 1,82
Consommation (H2SO4) = 51,32 T/mois
-
III.
Coût Acide sulfurique = 51,32 * 1000 = 51 320 dhs/mois
Augmentation du pH à 6 :
Après acidification, on utilise la soude NaOH 48% pour augmenter le pH à 6, avant de passer
au traitement physico chimique.
1. Détermination de la quantité de soude nécessaire pour augmenter le
pH à 6 :
Des tests ont été réalisés au niveau du laboratoire ont permis de déterminer la quantité de
soude nécessaire pour augmenter le pH de l’effluent, sans lessive, acidifié jusqu’à un pH
de 6.
164
 Manipulation :
On place le volume de 100ml de l’effluent ayant été acidifié auparavant à un pH = 1,5 dans un
bécher, et on ajoute progressivement du NaOH 48%, et on effectue le suivi du pH à l’aide
d’un pH mètre.
 Résultat :
Le tableau (28) présente les résultats de la manipulation :
Tableau 220:Résultat de l'acidification de l'effluent général sans lessive à pH=1,5
Effluent
Volume (ml)
pH initial
Volume NaOH
pH final
ajouté (ml)
Général sans
100
1,5
0,22
6
lessive
Le volume de NaOH 48% nécessaire pour augmenter le pH à 6 de 100ml de l’effluent est de
0,22 ml.
2. Consommation de NaOH:
Le débit à l’entrée de la station : Q = 940 m3/jour.
-
La consommation de la soude journalière est estimée à :
0,22 ml de NaOH
pour 100 ml de l’effluent
Consommation(NaOH)?
pour 940 m3
940∗0,22
Consommation(NaOH) =
-
100
= 2,07 m3 /jour
La consommation de NaOH mensuelle est estimée à :
Consommation (NaOH) = 2,07 * 30 = 62,1 m3/mois
3. Coût de la soude :
-
Le coût de la soude est de 3,4 dhs / kg.
-
La consommation mensuelle de l’acide sulfurique est de :
**sachant que : densité (NaOH 48%) = 1,54 T/m3.
165
Consommation (NaOH) = 62,1 * densité (NaOH 48%)
= 62,1 * 1,54
Consommation (NaOH) = 95,6 T/mois
-
Coût de la soude = 95,6 * 3400 = 325 040 dhs/mois
 L’étape de l’acidification + la neutralisation a permis un abattement de 45% de la DCO
et de la faire passer de 53 400 à 28 900 mg O2/l.
IV.
Traitement Physico-chimique :
Après avoir favorisé l’élimination de la matière grasse durant l’étape du dégraissage en
diminuant le pH à 1,5. Le pH a été augmenté pour atteindre une valeur de 6 en utilisant de la
soude. Après, on passe au traitement physico chimique, où on injecte le coagulant à une
certaine concentration, ainsi que le floculant, ces deux derniers, coagulant + floculant, doivent
être injectés à des doses optimales permettant d’éliminer au maximum la DCO (Demande
chimique en oxygène).
Les valeurs optimales en Coagulant et en floculant ont été déterminées en effectuant des
essais de jar-test au niveau du laboratoire, ainsi la dose optimale en coagulant a été estimée à
2 ml/l soit 0,8 g/l de FeCl3 pour une dose en floculant de 0,5 ml/l (0,5 g/l) et un pH =6.
1. Consommation en coagulant :
La dose optimale en coagulant (FeCl3 40%) à injecter au niveau du traitement physico
chimique est de : 2 ml/l soit 2,8 g/l (2,8 kg/m3) (Masse volumique de FeCl3 40% =1,4 kg/l),
permettra de faire passer la DCO de 28900 à 2023 mg O2/l.
Le débit à l’entrée de la station : Q = 940 m3/jour.
-
La consommation du chlorure ferrique journalière est estimée à :
Consommation (FeCl3 40%) = 2,8 * 940 = 2632 kg/jour.
-
La consommation du chlorure ferrique mensuelle est estimée à :
Consommation (FeCl3 40%) = 2632 * 30 = 78,9 T/mois
2. Coût du coagulant :
-
Le coût du coagulant est de 3,3 dhs/kg
166
-
Le coût du coagulant est estimé à :
Coût chlorure ferrique = 78,9 * 3300 = 260 370 dhs/mois
3. Consommation en floculant :
La dose optimale en floculant dilué à injecter au niveau du traitement physico chimique est
de : 0,5 ml/l soit 0,5 g/l (0,5 kg/m3).
Le débit à l’entrée de la station : Q = 940 m3/jour.
-
La consommation du floculant journalière est estimée à :
Consommation (Floculant dilué) = 0,5 * 940 = 470 kg/jour.
-
La consommation du chlorure ferrique mensuelle est estimée à :
Consommation (Floculant dilué) = 470 * 30 = 14,1 T/mois
4. Coût floculant :
-
Le coût du floculant pur est de 31 dhs/kg
Le floculant pur subit une dilution de 1/10.
Puisque la consommation en floculant dilué est de 14,1 T/mois, celle du floculant pur sera
de 1,4 T/mois.
-
Le coût du floculant est estimé à :
Coût floculant = 1,4 * 31000 = 43 710 dhs/mois
V.
Coût global du traitement de l’effluent général, sans lessive, de
Lesieur cristal :
Le tableau (29) représente le coût global du traitement de l’effluent, sans lessive, de Lesieur
cristal :
Tableau 221: Coût mensuel de traitement des eaux usées de Lesieur cristal
Effluent
Acide sulfurique
Soude
Chlorure ferrique
Floculant
Total
Coût (Dhs)
51 320
325 040
260 370
43 710
680 440
167
Conclusion
Cette étapes consiste en une analyse des coûts et détermination du coût de traitement le moins
cher des deux.
Le tableau (30) comporte le bilan général des coûts de la matière auxiliaire consommée pour
chaque cas de traitement :
Tableau 22: bilan général des coûts de la matière auxiliaire consommée pour chaque cas de traitement
Effluent
Coût Acide
Coût de la
Coût du
Coût du
Total
sulfurique (dhs)
Soude (dhs)
chlorure
floculant (dhs)
(dhs)
ferrique (dhs)
Général
120 120
502 656
512 820
55 800
1 191 396
Savonnerie
20 300
34 000
91 410
2 790
148 500
Général sans
51 320
325 040
260 370
43 710
680 440
71 620
359 040
351 780
46 500
828 940
lessive
Séparés
Nous remarquons que le coût du traitement des rejets de la savonnerie séparément des autres
rejets permettra d’économiser environ 30% du budget d’exploitation nécessaire pour le
traitement de l’effluent général en provenance de toutes les unités.
168
PARTIE VII :
Suivi de l’efficacité du traitement biologique de la
station d’épuration de Lesieur cristal
169
Introduction
Le procédé de traitement des eaux usées par boues activées consiste à favoriser le
développement de micro- organismes agglomérés sous forme de flocs maintenus en
suspension (culture libre) dans un bassin, ou réacteur biologique alimenté en eaux usées à
traiter.
Ce bassin d’aération est l’élément clef d’une station de traitement des eaux en boues activées.
Au sein de cet ouvrage doivent être assurés la couverture des besoins en oxygène liés à la
dégradation bactérienne aérobie.
Les performances biologiques des réacteurs à cultures libres (boues activées) sont intimement
liées aux conditions d'échange entre le substrat, la biomasse active et l'oxygène fourni au
milieu. Une conception rigoureuse du bassin d’aération, au travers des installations de
brassage et d’aération notamment, est donc primordiale.
Un brassage de bonne qualité permet d’homogénéiser la boue dans le réacteur, d’éviter les
dépôts et donc de limiter le risque de développement d’organismes filamenteux.
L’aération doit permettre la fourniture en oxygène aux micro-organismes vivant en milieu
aérobie, qui pourront alors dégrader la pollution azotée contenue dans les eaux usées.
Donc le but de cette étude est de réaliser un suivi de la concentration de azote totale, azote
ammoniacale, nitrite et nitrate à l’entrée, au milieu et à la sortie du bassin biologique de la
station d’épuration de Lesieur cristal pour réaliser par la suite une étude d’optimisation du
traitement et de proposer des améliorations à l’échelle de la STEP.
170
I.
Échantillonnage et suivi de l’efficacité du traitement secondaire

Échantillonnage:
Le prélèvement d’un échantillon d’eau est une opération délicate à laquelle le plus grand soin
doit être apporté, il conditionne les résultats analytiques et l’interprétation qui en sera donnée.
L’échantillon doit être homogène, représentatif et obtenu sans modifier les caractéristiques
physico-chimiques de l’eau.
Au cours de notre étude nous avons réalisé pendants quatre jours successive des prélèvements
d’eau à analyser. Les points de prélèvement ont été choisis comme suit (voir figure 91) :
Figure 91 : point de prélèvement de l’effluent
-
À la sortie du traitement physico-chimique c’est-à-dire à l’entrée du bassin biologique
-
Dans le bassin biologique
-
À la sortie du SBR
Ces échantillons d’eau ont été prélevés dans des bouteilles plastiques puis transportés au
laboratoire pour déterminer la quantité de l’azote totale, azote ammoniacale, nitrite et nitrate.
171
II.
Le suivi de l’efficacité du traitement biologique:
En suivant les protocoles expérimentaux de la détermination des paramètres de la pollution on
a pu analyser ces eaux prélevées pour faire par la suite le suivi de ces paramètres.
Le tableau suivant donne les résultats de l’analyse des effluant liquides :
Tableau 31 : Résultats des analyses du traitement biologique
Azote
JOUR 1
JOUR 2
JOUR 3
JOUR 4
Azote total
ammoniacal
Kjeldahl mg/l
mg/l
Nitrite mg/l
Nitrate mg/l
Entrée Biologique
99,8
64,5
3,8
2,69
Dans le bassin biologique
57,5
43,8
57,4
34,08
Sortie SBR
22,1
8,4
59,13
45,12
Entrée Biologique
82,3
67,9
5,65
3,34
Dans le bassin biologique
48,7
32,6
42,87
26,23
Sortie SBR
14,5
7,9
51,5
39,65
Entrée Biologique
91
60
5,7
6,6
Dans le bassin biologique
56,6
24,9
53,3
29,98
Sortie SBR
18,3
6,4
55,1
31,6
Entrée Biologique
59
38,6
5,04
3,57
Dans le bassin biologique
40,2
34,5
43,5
33,97
Sortie SBR
10,8
3,7
50,78
40,01
Ce tableau donne les différents résultats des paramètres analysé : Azote totale Kjeldahl, Azote
ammoniacal, nitrite, et nitrate du l’eau prélevés à l’entrée du bassin biologique, dans le bassin
et à la sortie du SBR de la station d’épuration pendant quatre jours.
A partir de ce tableau on peut tracer l’évolution ou bien la variation de ces paramètres pour
déterminer par la suite l’efficacité du traitement biologique.
172
1. Suivi de l’azote total Kjeldahl (NTK)
Evolution de la concentration de NTK dans le traitement biologique
120
NTK (mg/l)
100
80
Entrée Biologique
60
Dans le Bassin Biologique
40
Sortie SBR
20
0
1
2
3
4
Temps (JOUR)
Figure 92: suivi de l’azote total Kjeldahl dans les différents points de prélèvement
L’azote total Kjeldahl (NTK) est une appellation qui désigne la somme de l’azote ammoniacal
et de l’azote organique.
La figure représente la variation de l’azote total kjeldahl en quatre jours de l’effluent à
l’entrée du bassin biologique, dans le bassin et à la sortie du SBR de la station d’épuration de
LESIEUR.
En examinant la figure on remarque que la concentration de NTK dans les eaux usées à
l’entrée du bassin d’aération est très élevés c’est-à-dire une quantité de pollution azotée
importante surtout au premier jour ou elle atteint 100 mg/l. Les concentrations en NTK à la
sortie du SBR sont faible cela peut être expliqué par la dégradation de l’azote ammoniacal
sous l’action des bactéries présents dans le bassin d’aération.
173
2. Suivi de l’azote ammoniacal (NH4+)
Evolution de la concentration de l'azote ammoniacal dans le
traitement biologique
Azote ammoniacal (mg/l)
80
70
60
50
40
Entrée Biologique
30
Dans le Bassin Biologique
20
Sortie SBR
10
0
1
2
3
4
Temps (JOUR)
Figure 93 : suivi de l’azote ammoniacal dans les différents points de prélèvement
L’azote ammoniacal NH4+correspond à la forme assimilable pour l’activité bactérienne
nécessaire au traitement biologique.
La figure représente la variation de l’azote ammoniacal en quatre jours de l’effluent à l’entrée
du bassin biologique, dans le bassin et à la sortie du SBR de la station d’épuration de
LESIEUR.
La concentration en NH4+ à l'entrée du traitement biologique révèle des valeurs comprises
entre 67,9 et 38,6 mg /l pendant les quatre jours, alors qu’à la sortie du SBR, ces valeurs
oscillent entre 3,7 et 8,4 mg /l. On constate que l’ammonium à la sortie du bassin SBR est
largement inférieur à celui à l’entrée comme le montre la figure. Cela est expliqué par
l’utilisation de cet élément par les microorganismes aérobies (les nitrosobactéries) pour le
transformer en nitrites : c’est l’étape de la nitrification.
174
3. Suivi de nitrite (NO2-)
Evolution de la concentration de nitrite dans le traitement biologique
70
Nitrite (mg/l)
60
50
40
Entrée Biologique
30
Dans le Bassin Biologique
20
Sortie SBR
10
0
1
2
3
4
Temps (JOUR)
Figure 94: suivi de nitrite dans les différents points de prélèvement
Les nitrites sont le produit de la première étape de nitrification du cycle de l’azote. C’est une
forme peu stable et leur présence en quantité significative est un indicateur de blocage de
l’activité biologique
Cette figure représente la variation de Nitrite de l’eau à l’entrée du bassin biologique, dans le
bassin et à la sortie du SBR pendant les quatre jours.
D’après les résultats obtenus, on remarque que les concentrations en nitrites des eaux à la
sortie du SBR c’est-à-dire à la sortie du traitement biologique pendant les quatre jours sont
très élèves par rapport à l’entrée du bassin d’aération et elles varient entre 50,78 mg /l et
59,13mg /l est cela peut être expliqué par le fait que les nitrites ne sont pas totalement
transformés en nitrates par les bactéries aérobies (Les nitrobactéries) à cause de la durées
d’aération dans le bassin biologique qui est de l’ordre de 16h (sur-aération).
175
4. Suivi de nitrate (NO3-)
Evolution de la concentration de nitrate dans le traitement biologique
50
45
Nitrate (mg/l)
40
35
30
25
Entrée Biologique
20
Dans le Bassin Biologique
15
Sortie SBR
10
5
0
1
2
3
4
Temps (JOUR)
Figure 95: suivi de nitrates dans les différents points de prélèvement
Les nitrates représentent la forme la plus oxygénée de l’azote et la plus soluble. Ils sont le
résultat de la deuxième étape de la nitrification.
La figure représente la variation de nitrate en quatre jours de l’effluent à l’entrée du bassin
biologique, dans le bassin et à la sortie du SBR de la station d’épuration de LESIEUR.
En examinant la figure on remarque qu’à l’entrée du bassin biologique, les concentrations des
eaux en NO3- sont faibles. En revanches les eaux sortant du traitement biologique c’est-à-dire
SBR montrent des valeurs élevées dont la valeur maximale est de l’ordre de 45,12 mg /l
enregistrée dans le premier jour.
L’augmentation de la concentration de l’affluent en nitrates à la sortie du traitement
biologique par rapport à l’entrée est expliquée par le fait que le processus de dénitrification est
n’est pas complet c’est-à-dire y’à pas de transformation de nitrate en azote gazeux par les
bactéries anaérobies.
III.
Présentation des solutions techniques : « Élimination de la pollution
azotée »
176
Le traitement secondaire au niveau de la station d’épuration de Lesieur cristal se fait
généralement par voie biologique dans deux bassins d’aération fonctionnant à forte charge.
Ce bassin de traitement des eaux usées permet une aération de l’effluent pendant 16h pour
diminuer la concentration de l’azote totale kjeldahl, l’azote ammoniacal et la DCO de
l’effluent par l’action des bactéries aérobies suivi d’un arrêt de l’aération pendant 8h durant la
nuit ce qui peut induit à la création des zones d’anaérobie favorables au développement de
populations de bactéries filamenteuses responsable de la formation des flottant ou bien des
mousse de couleur noir à la surface du bassin d’aération (Voir figure 96).
Figure 96 : Bassin d’aération
Ensuite l’eau est envoyée vers un clarificateurs secondaire (SBR) qui permet normalement la
séparation des flocs biologiques du l’eau épurée par décantation et l’évacuation des eaux
épurées mais au niveau de la station de Lesieur cet ouvrage assure une aération de l’effluent
pendant 8h pour diminuer encore la DCO de l’effluents puis 1h d’arrêts d’aération pour la
décantation des boues et après 1h d’évacuation des eaux dans le réseau de la LYDEC.
Les eaux à la sorties du SBR sont très chargés en nitrites et en nitrates d’après les analyses, ce
qui peut causé la dégradation de la qualité du milieu récepteur et par conséquent un vrai
danger sur la vie aquatique.
Afin de limiter ce problème il est nécessaire de :
177
-
Effectuer une aération de l’effluent dans le bassin biologique pendant 4h pour réalisé une
oxydation par voies biologique de l’azote ammoniacal présent dans les eaux polluées en
nitrites puis en nitrates en faisant intervenir des micro-organismes strictement aérobies
(Processus de nitrification)
-
Installer un oxymétres pour mesurer la quantité de l’oxygène dissous dans le bassin
d’aération qui doit êtres égale à 5mg/l à la fin de cycle d’aération.
-
Arrêter l’aération pendant 1h pour crée un milieu anaérobie qui consiste à réduire les
nitrates en azote gazeux par des bactéries hétérotrophes (Processus de dénitrification)
-
Placer à la sortie du bassin biologique un dégazeur pour éliminer l’azote gazeux formé
durant le processus de la dénitrification de la canalisation de liaison entre le bassin
d’aération et le clarificateur
-
Envoyer l’eau vers le clarificateur (sans aération) pour assurer la décantation de l’effluent
pendant 1h30 min c’est-à-dire la séparation des flocs biologiques du l’eau épurée et
l’évacuation des eaux traitée.
Conclusion :
L'épuration des composés azotés des eaux usées est possible grâce aux processus de
nitrification et de dénitrification. Ces phénomènes sont à l'origine de flux de matière qui
permettent de transformer les formes minérales nuisibles de l'azote en formes inertes. Cette
dépollution s'effectue par l'intermédiaire des bactéries nitrifiantes et dénitrifiantes. Ces deux
processus sont influencés par plusieurs facteurs et paramètres parmi eux le temps d’aération ,
le temps d’arrêts d’aération et la quantité de l’oxygène dissous qu'on doit prendre en compte
pour une bonne élimination des composés azotés contenus dans les eaux usées.
178
Conclusion général
Ce stage de fin d’études a constitué, pour nous, une occasion enrichissante qui nous a permet
de se confronter à la réalité de la gestion et de l’exploitation quotidiennes d’une station
d’épuration à boues activées.
En effet, le sujet abordé est d’une grande importance puisqu’il s’intéresse, d’une façon
détaillée à tous les composantes du processus d’épuration par boues activées.
Notre travail a pour objectif l’optimisation du fonctionnement de la station d’épuration de
Lesieur cristal. Dans ce travail nous avons étudié plus particulièrement l’optimisation du
fonctionnement des ouvrages de prétraitement, l’élimination de la turbidité et la charge
polluante en DCO qui représentent un problème principal de la station par l’application d’un
plan d’expérience et en fin l’optimisation du fonctionnement du bassin d’aération.
Afin de cerner au mieux la problématique du thème choisi, l’élaboration d’une synthèse
bibliographique a été nécessaire.
La première, la deuxième et la troisième partie du mémoire a donc consisté en un état des
connaissances sur le processus de production de l’usine Lesieur cristal, une caractérisation des
eaux usées des industries agroalimentaire et leur traitement et finalement le suivi des
performance de la station d’épuration de Lesieur cristal.
La quatrième partie de notre travail a été consacrée à la présentation des résultats d’essais
expérimentaux que nous avons réalisés dans le cadre de cette étude. Structurés en plusieurs
chapitres, cette étude expérimentale a permis la description détaillée des différents
dysfonctionnements observés au niveau des ouvrages de prétraitement, traitement primaire et
secondaire.
179
Afin de surmonter les dysfonctionnements relevés, nous avons proposé des améliorations et
solutions :
 Ouvrage de prétraitements :
-
Réalisation d’un pompage à une fréquence de deux fois par semaine à l’aide d’une
pompe à vide pour extraire le maximum de la matière grasse à la surface du dégraisseur
de cassage de pâte et du bassin de collecte.
-
L’installation d’un orifice à la sortie des eaux du déshuileur ou bien le changement du
niveau haut de la pompe pour augmenter le volume de l’effluent dans le bassin.
 Traitement physico-chimique
Les résultats des essais de coagulation –floculation selon le protocole de JARTEST avec les
mêmes conditions effectuées en station apportés au cours de cette étape font ressortir les
conclusions suivantes :
-
La coagulation-floculation avec une dose optimale du chlorure ferrique (1,6 g/l) et du
polymère anionique (1g/l) à un pH =6 conduit à une élimination de 98,67% de la
turbidité et 95,5% de charge polluante en DCO.
-
La dose optimale du coagulant et du floculant et ainsi que le pH varie selon la qualité
de l’eau brute et la dose augmente avec l’augmentation de la turbidité et la charge
polluant en DCO d’où la nécessité de réaliser un plan d’expérience afin d’optimiser le
processus de la coagulation-floculation.
-
L’optimisation totale du traitement des rejets de l’usine Lesieur cristal par coagulation
floculation via un plan d’expérience nous a permis de trouver les optimums suivants :
pH= 6.56, Concentration en coagulant (1,48g/l) et la Concentration en floculant
(0,37g/l)
-
Le logiciel a prévu, que les pourcentages d’élimination de la DCO et de la turbidité
pour la valeur du pH=6.56, sont respectivement: 96,77 % et 96,91 %
-
L’évaluation du modèle a montré que les résultats expérimentaux sont plus au moins
proches des résultats donnés par le logiciel, ce qui a prouvé la validation de ce plan
expérimental.
180
 Traitement biologique :
Afin d’optimiser le traitement au niveau du bassin biologique nous avons proposé de réaliser
une aération de l’effluent dans le bassin biologique pendant 4h puis l’un arrêt de l’aération
pendant 1h pour créé un milieu anaérobie, suivi d’une décantation sans aération pendant
1h30 min dans le SBR.
En conclusion, les solutions proposées sont simples, techniquement faisable et
économiquement raisonnables. Il faudra en revanche plus de temps pour adapter ces
améliorations et résoudre complètement certaines problématiques. Un suivi et des études plus
poussées doivent donc être envisagés afin de bien maitriser la STEP
181
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