Série partie 2 – L’élimination des métaux des eaux usées

Dans la première partie de cette série, nous avons discuté des types de métaux présents dans les eaux usées, de leur toxicité relative, de leur impact sur la santé humaine et l’environnement, et des méthodes de traitement qui peuvent être utilisées pour favoriser leur élimination.  Dans la deuxième partie, nous allons élargir le dialogue et nous pencher sur la méthode de traitement qui est considérée comme la plus courante aujourd’hui:  Le traitement et l’élimination des métaux des eaux usées par la précipitation chimique.

Commençons!

Les procédés de précipitation chimique utilisent des hydroxydes, des carbonates ou des additifs à base de soufre pour favoriser la transition des métaux solubles vers leurs formes insolubles afin de les éliminer d’un effluent . La décision d’utiliser un ou plusieurs de ces éléments est largement motivée par les facteurs suivants:

• La solubilité relative des précipités métalliques qui seront formés.
• La capacité de l’usine à réduire les concentrations de métaux à un niveau qui atteint les objectifs environnementaux de rejet.
• La capacité du précipitant à agir en présence d’agents chélateurs.
• Leur capacité à limiter ou à prévenir la lixiviation dans les boues déshydratées.
• Les coûts des produits individuels et de l’ensemble du traitement.

Lorsqu’ils sont appliqués correctement, les procédés de précipitation chimique sont très performants et éliminent facilement de grandes quantités de matériaux métalliques. Ces additifs sont généralement ajoutés en amont d’un processus de décantation , habituellement dans un réservoir de réaction, en laissant assez de temps pour que les métaux puissent être précipités. Très souvent, des coagulants et polymères sont utilisés pour améliorer le processus de décantation  et sont ajoutés juste en amont de l’équipement utilisé (clarificateurs, décanteurs, etc.).

Précipitation d’hydroxyde et manipulation du pH

Parmi les précipitants disponibles, les additifs à base d’hydroxyde sont de loin les plus courants.  La raison principale est que ces produits chimiques sont peu coûteux et que les hydroxydes métalliques qui se forment ont une solubilité assez faible pour garantir leur élimination tout en respectant les objectifs de rejet des effluents. Parmi les sources d’hydroxydes disponibles, voici les précipitants les plus utilisés pour favoriser l’élimination des métaux des eaux usées:

• Hydroxyde de calcium/chaux hydratée (Ca(OH)₂)
• Hydroxyde de sodium (NaOH)
• Hydroxyde de magnésium (Mg(OH)₂)

Les diagrammes ci-dessous démontrent que la précipitation d’un métal n’est pas uniquement obtenue par le simple ajout d’un additif d’hydroxyde. La formation et la solubilité qui en résultent sont aussi fonction du pH . Chaque métal a un point idéal le long de sa courbe individuelle où la solubilité du précipité d’hydroxyde est à son minimum. À mesure que le pH augmente ou diminue le long de chaque courbe (en fonction de la quantité d’hydroxyde ajoutée), la solubilité du précipité ou du complexe métallique en cours de formation augmente également. Par exemple, si le pH optimal nécessaire pour maximiser la précipitation du cadmium est de 10,2 à 10,4 et que le processus de traitement des eaux usées ne fonctionne qu’à un pH de 9, il y aura des niveaux plus élevés de cadmium soluble dans l’eau traitée qui est rejetée. Par conséquent, le même effet peut se produire si le pH ciblé d’un système est trop élevé.

Illustration: La solubilité des hydroxydes métalliques dans l’eau de Ajiboye, Timothy & Onwudiwe, Damian & Oyewo, Opeyemi. (2021). Conventional and Current Methods of Toxic Metals Removal from Water Using g‑C3N4‑Based Materials. Journal of Inorganic and Organometallic Polymers and Materials. 31. 10.1007/s10904-020-01803-3.

Pour les chaînes de traitement qui visent l’élimination d’un seul métal, il est relativement facile d’ajouter des hydroxydes et de viser un pH qui minimise la solubilité de ce métal. Pour les systèmes qui doivent traiter un mélange de métaux, de nombreuses personnes choisiront soit un réglage du pH qui maximisera l’élimination de tous les métaux présents, soit un réglage du pH qui traitera le ou les métaux présents qui sont le plus encombrants. Si cette tactique ne permet pas d’amener tous les métaux à une concentration acceptable pour le rejet, les stratégies de traitement suivantes peuvent être appliquées.

• Incorporer plusieurs étapes de précipitation dans le processus de traitement qui ciblent différents pH pour des petits groupes ou groupes spécifiques de métaux partageant des caractéristiques de solubilité similaires.
• Compléter avec l’ajout de produits chimiques à base de soufre, capables de produire des précipités moins solubles dans la plage de pH visée.

Additifs de précipitation à base de soufre

En général, les produits chimiques à base de soufre peuvent favoriser la formation de précipités métalliques qui sont beaucoup moins solubles que leurs équivalents en hydroxyde. En raison de leur solubilité réduite, les produits chimiques à base de soufre sont beaucoup moins dépendants du pH en comparaison avec les solides formés par précipitation d’hydroxyde.

À première vue, il semblerait plus avantageux d’utiliser des produits chimiques à base de soufre au lieu d’hydroxydes pour favoriser la précipitation des métaux, mais cela présente quelques inconvénients notables :

• Les additifs à base de soufre sont généralement plus coûteux que les hydroxydes.
• Le potentiel d’une libération de gaz H₂S (très toxique) dans les environnements acides.
• Les ions sulfure résiduels peuvent ajouter de la toxicité à l’eau traitée.

Compte tenu de ces inconvénients, de nombreux additifs soufrés sont appliqués en complément pour améliorer l’efficacité de l’élimination ou pour remédier à une déficience présente dans un processus de traitement existant. Voici quelques exemples :

• Des chélateurs sont présents et des complexes métalliques très solubles se sont formés et doivent être éliminés par précipitation.
• Le pH visé du processus de traitement ne favorise pas l’élimination de tous les métaux.
• Les concentrations de métaux dans les effluents sont un peu élevées et un agent de polissage est nécessaire pour atteindre les objectifs de rejet.

Parmi les sources de soufre disponibles, toutes sont classées comme des sulfures inorganiques ou organiques. La plupart des inconvénients énumérés ci-dessus relèvent de l’utilisation de sulfures inorganiques et moins de celle de leurs homologues organiques. Ainsi, les molécules de soufre liées à des substances organiques (par exemple, les carbamates) constituent un excellent choix lorsqu’il s’agit d’améliorer le rendement d’un système de traitement des eaux usées qui éprouve des difficultés. Les sulfures organiques sont également faciles à appliquer et sont alimentés de manière stœchiométrique en proportion de la concentration d’ions métalliques encore présents dans l’eau.

Précipitation des carbonates

Parmi les précipitants disponibles et utilisés, les carbonates sont moins courants. Cela s’explique par le fait que certains métaux ne sont pas éliminés aussi efficacement lorsque des carbonates sont appliqués. Cela dit, il y a des circonstances où les carbonates sont très efficaces et peuvent être utilisés pour répondre à un besoin spécifique. Par exemple, le cadmium et le plomb sont des métaux qui sont mieux éliminés lorsque des carbonates sont appliqués. Ainsi, les systèmes qui se concentrent sur l’élimination de ces métaux peuvent être adaptés pour incorporer une forme quelconque d’additif carbonaté. Le seul inconvénient de ces applications est que leurs réactions respectives ont tendance à être un peu plus lentes et nécessitent donc un temps de rétention plus long dans le système lorsqu’elles sont appliquées. Les différentes sources de carbonate disponibles sont généralement limitées au dioxyde de carbone, au carbonate de calcium et au carbonate de sodium.

Indépendamment des défis auxquels vous êtes confrontés, Aquasan dispose d’une équipe d’experts chevronnés et d’une gamme de produits capables de répondre à vos besoins opérationnels.  Qu’il s’agisse de fournir des produits chimiques ou d’offrir des services d’assistance technique, Aquasan peut assurer que l’élimination des métaux de vos eaux usées est un succès précipité!

Chez Aquasan, nous mesurons notre succès à travers le vôtre!