Traitement des eaux usées par rayonnements ionisants

CREATIVE SERVICES
COMREHENSIVE SOLUTIONS IN SCIENCE & TECHNOLOGIES
Traitement des eaux usées par
rayonnements ionisants
Elimination de risques biologiques et
chimiques par traitement des eaux et de
la boue avec des faisceaux d’électrons.
Orientation
10 juillet 2002

CREATIVE SERVICES Traitement des eaux par rayonnements ionisants 2
I Contenu
I CONTENU.............................................................................................................................................2
II MOTIVATION......................................................................................................................................5
III DEFINITIONS....................................................................................................................................... 6
A ABREVIATIONS .................................................................................................................................... 6
B PHYSIQUE............................................................................................................................................ 6
C ELECTROCHIMIE, RADIOLYSE ............................................................................................................... 7
D POLLUTION DES EAUX .......................................................................................................................... 8
IV IRRADIATION DES EAUX ................................................................................................................. 9
A INTRODUCTION ....................................................................................................................................9
B BASES SCIENTIFIQUES ........................................................................................................................ 10
B1 Radiation...................................................................................................................................... 10
B2 Générateurs, technique des accélérateurs ..................................................................................... 14
B3 Radiolyse de l’eau ........................................................................................................................ 17
B4 Effets chimiques............................................................................................................................ 20
B5 Effets biologiques ......................................................................................................................... 25
C PROCEDE DU TRAITEMENT.................................................................................................................. 29
C1 Cycle de récupération et interventions possibles............................................................................ 29
C2 Polluants : classification, traitement et effets d’irradiation............................................................ 33
C2.1 Polluants « biologiques ».........................................................................................................................34
C2.2 Les matières en suspension (MES)........................................................................................................... 37
C2.3 La matière organique (DCO)....................................................................................................................37
C2.4 Les polluants chimiques importants..........................................................................................................38
D TRAITEMENT D’EAU PAR FAISCEAUX D’ELECTRONS............................................................................. 47
D1 Puissance..................................................................................................................................... 47
D2 Débit............................................................................................................................................ 49
D3 Flexibilité..................................................................................................................................... 50
E RISQUES ET AVANTAGES .................................................................................................................... 51
E1 Caractéristiques de traitement (avantages) ................................................................................... 51
E2 Création de radioactivité .............................................................................................................. 52
E3 Création d’autres / nouveaux polluants......................................................................................... 53
E4 Risque de mutation ....................................................................................................................... 53
E5 Radioprotection............................................................................................................................ 55
F HISTORIQUE ET RECHERCHES ACTUELLES ........................................................................................... 56
V ACTIVITES SUSCEPTIBLES............................................................................................................ 58
A EXIGENCES REGLEMENTAIRES ET POLITIQUES ..................................................................................... 58
B FONCTIONNEMENT DES STATIONS DE TRAITEMENT DES EAUX USEES PAR RAYONNEMENTS IONISANTS ... 59
B1 Etapes d’activités.......................................................................................................................... 59
B2 Coûts............................................................................................................................................ 60
B2.1 Source d’électrons...................................................................................................................................61
B2.2 Accélération électrostatique.....................................................................................................................61
B2.3 Accélération avec des micro-ondes .......................................................................................................... 61
B2.4 Systèmes auxiliaires : vide, refroidissement, contrôle................................................................................62
B2.5 Système de balayage................................................................................................................................62
B2.6 Décharge du faisceau............................................................................................................................... 62
B2.7 Blindage et radioprotection......................................................................................................................62
B2.8 Consommation ........................................................................................................................................63
B2.9 Opération et entretien .............................................................................................................................. 63

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C EAUX EGOUTS DOMESTIQUES, AGRICOLES ET MUNICIPALES ................................................................. 65
C1 Eaux égouts domestiques .............................................................................................................. 65
C1.1 Hypothèses sur le marché ........................................................................................................................ 73
C2 Eaux égouts municipales............................................................................................................... 75
C3 Eaux des piscines.......................................................................................................................... 75
C3.1 Hypothèses sur le marché ........................................................................................................................ 77
C4 Eaux égouts agricoles................................................................................................................... 78
D DECHETS HOSPITALIERS ET DISPOSITIFS MEDICAUX ............................................................................. 80
D1 Dispositifs médicaux..................................................................................................................... 80
D2 Déchets hospitaliers...................................................................................................................... 81
D2.1 Déchets solides........................................................................................................................................ 82
D2.2 Estimation du marché..............................................................................................................................87
D2.3 Effluents hospitaliers...............................................................................................................................87
D2.4 Estimation du marché..............................................................................................................................92
E PRODUITS AGROALIMENTAIRES LIQUIDES EN QUANTITE....................................................................... 93
E1 Eaux des sources .......................................................................................................................... 93
E2 Liquides alimentaires et biologiques ............................................................................................. 96
E2.1 Irradiation de produits alimentaires.......................................................................................................... 96
E2.2 Lait....................................................................................................................................................... 100
E2.3 Jus de fruits et de légumes ..................................................................................................................... 101
E2.4 Pasteurisation........................................................................................................................................ 106
E3 Sang........................................................................................................................................... 110
E4 Eaux potables............................................................................................................................. 113
F LES EAUX DANS L’INDUSTRIE ........................................................................................................... 120
F1 Remarques.................................................................................................................................. 120
F2 Agroalimentaire.......................................................................................................................... 122
F3 Bois, papier, carton.................................................................................................................... 123
F3.1 Bois ...................................................................................................................................................... 123
F3.2 Papier et Carton..................................................................................................................................... 125
F4 Chimie, parachimie, pétrole........................................................................................................ 128
F4.1 Chimie organique.................................................................................................................................. 128
F4.2 Chimie minérale.................................................................................................................................... 130
F4.3 Pharmaceutique..................................................................................................................................... 132
F4.4 Pétrole .................................................................................................................................................. 134
F5 Divers ........................................................................................................................................ 138
F5.1 Industries minérales............................................................................................................................... 138
F5.2 Cuir et peaux......................................................................................................................................... 138
F5.3 Autres................................................................................................................................................... 139
F6 Industries extractives.................................................................................................................. 139
F6.1 Les industries extractives de métaux ...................................................................................................... 139
F6.2 Les industries extractives de non-métaux................................................................................................ 141
F7 Sidérurgie et métallurgie ............................................................................................................ 141
F7.1 La sidérurgie ......................................................................................................................................... 142
F7.2 La fabrication d’aluminium, cuivre, plomb et zinc.................................................................................. 145
F7.3 L’industrie métallurgique....................................................................................................................... 146
F8 Mécanique et traitement de surfaces ........................................................................................... 147
F8.1 Fabrication............................................................................................................................................ 147
F8.2 Traitement de surfaces........................................................................................................................... 148
F8.3 Finition ................................................................................................................................................. 148
F8.4 Sommaire : Polluants dans la mécanique et le traitement de surfaces....................................................... 151
F9 Textile ........................................................................................................................................ 154
VI L’ACCELERATEUR ET SES ACCESSOIRES............................................................................... 161
A MOTIVATION POUR LE CHOIX DES PARAMETRES D’ACCELERATEUR .................................................... 161
A1.1 Particules : électrons à 10 MeV.............................................................................................................. 161
A1.2 Puissance : fixe, entre 20 et 100 kW....................................................................................................... 161
A1.3 Type d’accélérateur : accélérateur radiofréquence................................................................................... 161
B DISCUSSION SUR LES COMPOSANTS D’ACCELERATEUR....................................................................... 162
B1.1 Efficacité .............................................................................................................................................. 165
B1.2 Source d’électrons et pré-accélération .................................................................................................... 166
B1.3 Cavités.................................................................................................................................................. 166
B1.4 Radiofréquence ..................................................................................................................................... 167
B1.5 Optimisation de coût.............................................................................................................................. 167

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B2 Exemple : accélérateur 1.8 MeV de la société MIF Co. Ltd......................................................... 168
VII RESUME ........................................................................................................................................... 170
A SOMMAIRE ...................................................................................................................................... 170
A1 Applications ............................................................................................................................... 173
A2 Marché....................................................................................................................................... 174
A3 Coût........................................................................................................................................... 174
A4 Développement........................................................................................................................... 174
B CONCLUSION ................................................................................................................................... 174
ANNEXE I BIBLIOGRAPHIE ...................................................................................................................... 176
ANNEXE II ACCELERATEURS D’ELECTRONS.......................................................................................... 184
ANNEXE III POLLUANTS ....................................................................................................................... 186
ANNEXE IV MALADIES LIEES A L’EAU ................................................................................................... 190
ANNEXE V DIRECTIVES, LOIS, DECRETS ET ARRETES............................................................................. 194
ANNEXE VI STEP DE DIVONNE-LES-BAINS (AIN).................................................................................. 203
ANNEXE VII REJETS ICPE (AUTOSURVEILLANCE)................................................................................... 206

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II Motivation
Le but ultime de la recherche et du développement technologique est
d’assurer et d’augmenter la qualité de notre vie.
Dans un monde surpeuplé où les effets des rejets de la civilisation sont déjà visibles dans
le climat et où la pollution de la nature est une menace avec des conséquences largement
inconnues, le besoin de protéger l’être humain et son environnement demande l’utilisation
de toutes technologies disponibles.
L’eau est un élément essentiel de notre vie. Nous la consommons et nous la rejetons après
son utilisation. Les réglementations de plus en plus exigeantes sur le traitement des eaux
usées et des boues d’épuration de grands volumes nécessitent de faire appel à des
solutions innovantes notamment dans certains secteurs d’activités à fort risque de
contamination bactériologique et chimique.
Aujourd’hui les rayonnements ionisants sont quotidiennement utilisés p. ex pour la
stérilisation dans le milieu hospitalier ou pour le traitement de certaines matières. Ce
comprend p. ex le traitement des cellules cancéreuses, le conditionnement de polymères
ou la stérilisation de produits agroalimentaires.
L’idée du traitement des eaux usées et des boues d’épuration par rayonnements ionisants
n’est pas nouvelle [1]. Afin de permettre le traitement de matières non-traitées et
d’améliorer la vitesse et l’efficacité du traitement ainsi que d’augmenter les quantités
traitées, nous proposons d’étudier et éventuellement utiliser la technologie de
faisceaux d’électrons à haute énergie pour l’élimination des dangers et des risques.
La technologie des accélérateurs d’électrons est assez avancée pour être utilisée dans des
applications de la vie quotidienne. Une des applications de cette technologie pourrait être
son utilisation pour le traitement des eaux usées et des boues d’épuration avec de
rayonnements ionisants. Notre projet est de démontrer qu’il existe aujourd’hui une
alternative technique, économiquement viable et plus respectueuse de l’environnement
aux traitements biologiques et chimiques des eaux usées.
Le document présent à comme but d’analyser la fiabilité de l’application de la radiation
ionisante d’électrons dans le traitement des eaux égouts et des effluents. Nous identifions
des possibles secteurs d’application et les implications technologiques et économiques
correspondantes.
L’étude conclura avec la comparaison des avantages et désavantages de la technologie et
une orientation pour une éventuelle réalisation.