Série – L’élimination des métaux des eaux usées

Les industries concernées, l’impact sur l’environnement et les méthodes communes d’élimination

Cet article marque le début d’une série consacrée à l’élimination des métaux des eaux usées. Notre premier article présentera un résumé des différents types de métaux impliqués, des industries où ils sont présents, de leur toxicité implicite et de leur impact sur l’environnement, ainsi que les méthodes de traitement utilisées pour favoriser leur élimination. Et c’est parti…

Plusieurs métaux et solutions à base de métaux sont au cœur des procédés industriels produisant des biens et des services auxquels nous nous fions chaque jour. Ils sont soit consommés en tant que matière brute principale, soit utilisés comme intermédiaires dans un processus de production, soit des contaminants à être éliminés pour assurer les normes de qualité du produit ou pour répondre à une exigence opérationnelle spécifique. Énumérées ci-dessous sont quelques-unes des industries ou des applications les plus courantes qui ont recours aux métaux ou aux matériaux à base de métaux.

• L’industrie minière
• La production d’acier / de minerai de fer
• Le surfaçage
  • Les opérations de passivation, de gravure et de placage des métaux
• La fabrication des pigments / colorants
• Les sites d’enfouissement
• Le recyclage de métaux
• La restauration environnementale (sol et eau)
• Le traitement de l’eau potable et de l’eau brute

Plusieurs de ces applications industrielles utilisent de grands volumes d’eau pour répondre à leurs besoins opérationnels. Par conséquent, de nombreux matériaux à base de métaux sont transférés dans ces eaux et s’y accumulent jusqu’au moment où il n’est plus possible de les évacuer, à moins de mettre en place une forme quelconque de traitement des eaux usées.

Bien que les métaux soient des éléments naturels, qu’ils fassent partie de la croûte terrestre et qu’ils se trouvent dans nos eaux souterraines et de surface, il existe une limite à la quantité considérée comme saine. De petites quantités de certains métaux sont en fait essentielles à la vie, mais lorsque leur concentration devient trop élevée, ils peuvent devenir toxiques rapidement. À cet égard, les métaux lourds en particulier sont très préoccupants en raison de leur tendance à la bioaccumulation. Brièvement, cela signifie que les organismes vivants risquent de les absorber plus rapidement qu’ils ne peuvent s’en débarrasser. S’ils sont soumis à une exposition fréquente ou continue, l’accumulation de ces métaux au fil du temps finira par être nocive. C’est pourquoi les autorités de réglementation surveillent de près les métaux présents dans les eaux usées, surtout celles qui sont rejetées dans un réseau d’égouts ou directement dans l’environnement.

Le diagramme ci-dessous explique comment les métaux lourds peuvent être introduits dans l’environnement, leur migration dans nos écosystèmes et les risques qu’ils posent lorsqu’ils commencent à s’accumuler.

Figure 1: Inspirée de « Saxena, Gaurav & Purchase, Diane & Mulla, Sikandar & Saratale, Ganesh & Bharagava, Ram. (2019). Phytoremediation of Heavy Metal-Contaminated Sites: Eco-Environmental Concerns, Field Studies, Sustainability Issues and Future Prospects. Reviews of environmental contamination and toxicology. 10.1007/398_2019_24. »

Lorsqu’il s’agit du rejet d’eau, les métaux que l’on considère comme moins toxiques – comme l’aluminium et le fer – ont généralement des limites de rejet plus modérées et ils sont mesurés et contrôlés sur la base de milligrammes par litre (mg/L) ou de parties par million (ppm). Pour les métaux considérés comme plus toxiques et dangereux pour l’environnement, les limites de rejet sont beaucoup plus sévères. Les métaux lourds se trouvent dans cette catégorie et sont donc limités à des microgrammes par litre (µg/L) ou à des parties par milliard (ppb) dans les eaux rejetées. C’est pourquoi les processus de traitement des eaux usées doivent être manifestement robustes, efficaces et efficients. Voici une liste des métaux lourds que l’on trouve couramment dans l’industrie et qui, par défaut, sont étroitement réglementés.

Étant donné le rôle critique que jouent les métaux dans les productions industrielles, et les risques environnementaux posés par les rejets inappropriés, des stratégies de traitement efficaces sont essentielles. Souvent, l’élimination d’un ou de plusieurs métaux nécessite une approche ciblée qui tient compte de son état – sous forme solide ou soluble – et de la destination prévue après son élimination – le recyclage ou l’acheminement vers l’élimination.

Les paragraphes suivants décrivent certaines des méthodes de traitement d’élimination des métaux qui sont utilisées aujourd’hui.

Sédimentation et filtration – Ces méthodes ciblent l’élimination des métaux sous forme solide. Elles font généralement partie des phases initiales des processus de traitement afin de traiter et d’éliminer de grands volumes de déchets métalliques. Souvent les volumes accumulés sont suffisamment importants pour favoriser la réutilisation ou le recyclage. Les coagulants et floculants sont couramment utilisés pour améliorer l’efficacité de l’élimination et l’accumulation des solides.

Échange d’ions – Ce système permet de capturer les métaux sous forme soluble à l’aide de résines échangeuses d’ions. Il est souvent utilisé pour promouvoir le recyclage en boucle fermée des déchets métalliques régénérants à haute concentration, ou comme étape de finition pour atteindre des concentrations ultra-faibles dans un flux d’eau traitée.

Filtration sur membrane – Les systèmes de microfiltration et d’ultrafiltration sont utilisés pour éliminer les métaux sous forme solide, tandis que la nanofiltration et l’osmose inverse sont utilisées pour éliminer ou rejeter les matières solubles. Tous ces systèmes à membrane peuvent être utilisés pour favoriser l’élimination des métaux, la récupération des électrolytes et la production de flux d’eau traitée réutilisables.

Précipitation chimique – Dans un environnement à pH contrôlé, l’ajout d’alcalis – des carbonates et hydroxydes – et d’additifs à base de soufre – des sulfures inorganiques ou organiques – favorise la transformation des métaux solubles en précipités insolubles. La décision d’utiliser un certain précipitant plutôt qu’un autre est largement motivée par des raisons économiques, la solubilité relative des précipités formés, l’impossibilité de cibler un pH optimal, et la capacité du précipitant à limiter la formation de complexes solubles en présence d’agents chélateurs. Très souvent, des coagulants et floculants sont utilisés conjointement avec ces matériaux pour améliorer l’élimination des métaux une fois qu’ils ont été précipités.

Les processus de précipitation chimiques sont très robustes et constituent l’une des formes les plus courantes de traitement des métaux lourds dans les eaux usées utilisées aujourd’hui. En tant que telle, la précipitation chimique fera l’objet d’une discussion plus approfondie dans la deuxième partie de notre série « L’élimination des métaux des eaux usées ».

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