Désulfatation biologique [155]

3.4.1.1. Préambule sur le traitement biologique aérobie de la matière organique en présence de sels

Les fortes teneurs en sel perturbent le métabolisme microbien ce qui entraine une baisse des taux d’épuration des matières organiques, la réaction de nitrification, entre autres, étant particulièrement inhibée [156]. Les performances de dégradation de la matière organique diminuent avec l’augmentation de la concentration en sels, par conséquent, les eaux chargées en sels doivent être traitées avec de faibles charges appliquées [157].

Les variations brutales de concentration en sels sont plus pénalisantes que des augmentations graduelles de salinité [158]. Le passage de 0,5 à 2% de sels cause généralement des perturbations importantes des performances [157]. Pour réagir à de forts gradients de concentrations les cellules bactériennes vont avoir tendance à se vider de leur eau par osmose, et par conséquent à s’assécher.

Ce phénomène, appelé plasmolyse, provoque une diminution de l’activité cellulaire [7].

La séparation liquide-solide est aussi perturbée, le sel à tendance à augmenter le taux de MES dans l’effluent en raison de la lyse de nombreux organismes par le sel (protozoaires entre autres) et de la perturbation de la floculation [156].

Des études antérieures ont rapporté que ce phénomène est constaté pour des teneurs en sels supérieures à 20 g/L [159]. La densité de l’eau salée est supérieure à celle de l’eau douce ce qui diminue l’écart de densité entre l’eau et les matières à décanter et influe par conséquent sur les performances de la décantation. Plusieurs options peuvent être envisagées pour permettre une séparation satisfaisante des boues. Il peut s’agir par exemple d’augmenter la surface du décanteur, de remplacer la décantation par une filtration membranaire ou d’augmenter la fraction de boues minérales pour favoriser leur décantation.

L’acclimatation des bactéries au sel se perd vite si la salinité vient à baisser ce qui est problématique pour maintenir des performances d’épuration satisfaisante [156].

Les performances des traitements biologiques aérobies sont limitées par la présence de sels dans les eaux à traiter. Les performances sont en particulier altérées par la variabilité des eaux à l’entrée du procédé biologique et les difficultés de séparation des boues.

Même si le traitement biologique de la pollution carbonée, azotée et du phosphore s'avère réalisable, à des concentrations en sel élevées, le rendement obtenu dépend d'une bonne adaptation de la biomasse ou de l'utilisation de micro-organismes halophiles [160]. De plus, la biodégradation aérobie ne permet pas le traitement des sels (chlorures, sodium, sulfates…) qui seront par conséquent présents en sortie de traitement.

Un procédé de désulfatation biologique en milieu anaérobie a été développé par la société Paques (Pays-Bas).

3.4.1.2. Principe du procédé SULFATEQ™

Le traitement des sulfates peut être réalisé par voie biologique à l’exemple du procédé SULFATEQ™

développé par la société Paques (Pays-Bas). Ce procédé fonctionne avec 2 étages en série (Figure 42) pour:

1. Réduire les sulfates en sulfure d’hydrogène via un donneur d’électrons qui peut être du gaz hydrogène ou du carbone biodégradable (conditions anaérobie),

2. Oxyder le sulfure d’hydrogène en soufre élémentaire en présence d’air (conditions aérobie).

Figure 42 : Conversion biologique des sulfates en soufre [155]

Les équations des réactions mises en jeu s’écrivent comme suit :

- Réduction des sulfates : 2 Na⁺ + SO42- + carbone organique (DBO) → 2 Na⁺ + HS^- + HCO3

-- Oxydation des sulfures : Na⁺ + HS^- + CO2 + 0,5 O2 → Na⁺ + HCO3-+ S Un schéma de principe du procédé est présenté en Figure 43.

Figure 43 : Schéma de principe du fonctionnement du procédé SULFATEQ™ [161]

Au niveau de l’étage anaérobie, la production de sulfures peut atteindre des concentrations inhibitrices pour les bactéries. Pour diminuer cette concentration, deux solutions sont possibles, soit recirculer le flux d’eau traitée en entrée du procédé créant une dilution, soit éliminer l’H2S du réacteur par stripage puis traitement dans le réacteur aérobie. Le choix se fait en fonction des caractéristiques des effluents à traiter et du bilan économique. Pour des concentrations inférieures à 3 g/L de sulfates, aucune étape de recirculation n’est nécessaire.

L’élimination des sulfures est réalisée soit par oxydation biologique soit par précipitation des sulfures métalliques. Ce procédé est particulièrement intéressant pour éliminer les métaux qui précipitent avec le soufre (PbS, CuS, ZnS,…).

Les boues soufrées produites sont séparées par décantation et déshydratées par filtre presse par exemple. La pureté du soufre dépend de l'effluent traité et des composés qui ont co-précipité comme le carbonate de calcium. Elle est généralement comprise entre 60% et 98%.

3.4.1.3. Domaines d’application et mise en œuvre

Le procédé Sulfateq^TM est adapté au traitement des effluents qui présentent :

- Une concentration en sulfates de 1 à 25 g/L [161]. La concentration la plus élevée en entrée d’une unité industrielle s’élève à 30 g/L de sulfates correspondant à une une salinité globale de 46 g/L. Des essais laboratoire ont été conduits pour des salinités de 110 g/L.

- Un débit de 25 à 2 000 m³/h [162],

- Un ratio DBO5/sulfates de 0,8 à 1 kg DBO5/kg SO4éliminé. Le procédé nécessite un donneur d'électrons pour la réaction en milieu anaérobie. Pour cela une source de carbone organique doit être disponible. Il peut s’agir de gaz hydrogène ou généralement de carbone présent dans l’eau à traiter. Si cette source n’est pas disponible, le projet n'est généralement pas viable économiquement.

La première unité industrielle mise en œuvre par Paques date de 1992. Aujourd’hui, douze unités sont en fonctionnement (Tableau 28) dont celle de Lenzing AG (Autriche) qui traite 15 tonnes SO4/jour présents dans les eaux usées d'une usine de viscose.

Tableau 28 : Références de Paques pour le procédé SULFATEQ™ [155]

Donneur d’électrons

Sulfates Ethanol ou autre alcool Gas hydrogen Résidus organiques

Na2SO4

La concentration en sulfates atteignable en sortie de traitement est généralement en deçà de 300 à 500 mg/L. Les sulfates étant remplacés par des carbonates, il n'y a pas de réduction significative de la salinité de l’effluent traité. Un abattement de 99% du carbone organique biodégradable peut être obtenu selon le ratio DBO/sulfates de l’effluent à traiter.

Des essais laboratoire, à minima, peuvent être réalisés pour s’assurer de l’absence de toxiques dans l’effluent à traiter. Des essais pilote permettent d’évaluer les performances du système en particulier dans le cas d’effluents complexes.

3.4.1.5. Données économiques

Une estimation budgétaire a été réalisée par Paques pour le traitement d’un effluent sulfaté dont les caractéristiques sont présentées dans le Tableau 29 [155].

Tableau 29 : Caractéristiques d’un effluent sulfaté pour évaluation budgétaire Paramètres Résultats

Débit (m³/j) 360

pH 7,8

MES (mg/L) 830

Hydrocarbures (mg/L) 300 DBO5 (mg/L) 25 000

DCO (mg/L) 55 000

Chlorures (mg/L) 800 Sulfates (mg/L) 23 000 Sodium (mg/L) 22 500

Le coût d’investissement matériel pour une unité SULFATEQ™ est estimé entre 3 et 5 millions d’euros.

Ce prix intègre le matériel lié au process : cuves en acier inoxydable ou acier revêtu, commandes, électricité, tuyauterie et dosage des produits chimiques. Il n’intègre pas les coûts de génie civil, d’installation et de mise en service.

Les coûts de fonctionnement sont liés aux consommations :

- de carbone organique considérées comme nulles dans ce cas, - d’éléments nutritifs pour la biomasse bactérienne : 95 000 €/an,

- électriques. L’unité nécessite dans ce cas une puissance totale de 180 kW dont 90 kW pour le ventilateur de recirculation du gaz strippé, 75 kW pour l’aération du réacteur aérobie et 15 kW pour le restant dont les pompes. La consommation électrique s’élève ainsi en première approximation à 12 kWh/m³ entrant soit 0,5 kWh/kg SO4 à traiter.

En considérant un coût du kWh de 0,1 €, le coût du traitement de cet effluent s’élève à 2 €/m³ (énergie et produits chimiques). Le coût opérateur et l’élimination des boues n’apparaissent pas dans cette évaluation.

3.4.1.6. Synthèse

Désulfatation biologique

Points clés Traitement des sulfates dans une gamme de 1 à 25 g/L sulfates. La salinité maximale en entrée d’une unité existante s’élève à 46 g/L.

Maturité TRL 8-9

12 unités Prétraitement Elimination des huiles et des matières en suspension

Produits chimiques

Un donneur d’électrons est nécessaire au traitement : gaz hydrogène ou carbone organique (ratio DBO5/sulfates de 0,8 à 1 kg DBO5/kg SO4éliminé)

Nutriments pour la biomasse bactérienne Acide/soude si neutralisation nécessaire Impact

environnemental Possible valorisation des sulfures métalliques

Avantages Diminution de la production de boues par rapport à une désulfatation physico-chimique Inconvénients et

facteurs limitants

Nécessite une source de carbone biodégradable Essais laboratoire/pilote potentiellement nécessaires Peu d’unités industrielles

Fournisseurs Paques (Pays Bas) R & D / Brevet

Pilote Industriel

Unité

Industrielle Mature

3.4.2. Déionisation capacitive