Problématique des effluents salins

Problématique des effluents salins

Différentes sources de production 

L’industrie agroalimentaire
L’industrie agroalimentaire est l’une des principales sources de production d’effluents salins composés en proportion variable de composés organiques et minéraux. En effet dans l’alimentation, le sel joue un double rôle de nutrition et de conservation des aliments. La teneur en sel des aliments est très variable, allant de quelques pour cent pour les plats préparés, le pain, le fromage, à plus de 40% dans le cas de préparations très concentrées comme les bouillons en sachets. Une certaine quantité d’eau est nécessaire à la vie bactérienne. Cependant seule l’eau disponible peut être utilisée pour la croissance bactérienne. La quantité d’eau libre est définie par l’activité de l’eau, notée Aw, égale à 1 pour de l’eau pure. Lorsque Aw diminue, la quantité d’eau libre décroit, ce qui peut réduire l’activité microbiologique. Ainsi le sel, qui agit comme un agent dépresseur de l’activité de l’eau dans les aliments, permet d’assurer la stabilité microbiologique. Le Tableau I-1 présente le spectre de croissance des micro-organismes en fonction de l’activité de l’eau [Baldet 2004]. On observe que certains micro-organismes ont besoin d’une quantité d’eau plus importante que d’autres pour se développer. Néanmoins, une activité de l’eau supérieure à 0,5 est nécessaire à une quelconque croissance microbiologique.

Le développement des micro-organismes est donc influencé par la concentration en sel du milieu environnant. Pour une teneur en sel donnée, certains micro-organismes peuvent se développer tandis que d’autres sont détruits ou inactivés. Le sel agit donc comme un agent antimicrobien sélectif [Lefebvre 2005]. Le rôle d’inhibiteur-retardateur du sel est mis à profit en conserverie, notamment des viandes et du poisson (salaisons), tandis que son rôle de régulateur sur le développement des microorganismes sert, par exemple au processus de fabrication et d’affinage des fromages.

De nombreux secteurs agroalimentaires sont donc concernés par l’utilisation de sel et par conséquent par les rejets de pollution saline qu’en résultent. Divers exemples peuvent être cités, comme la production de produits marinés ou la conserverie de légumes. Les marinades sont typiquement des émulsions d’eau et d’huile contenant du sel. Le sel agit dans ce cas à la fois comme un exhausteur de goût et comme un agent antimicrobien [Bjorkroth 2005]. Dans l’industrie de la conserve, le sel pénètre dans les aliments, qui se vident de leur eau de constitution (osmose), inhibant ainsi la croissance des micro-organismes. Les aliments provenant de l’industrie laitière contiennent également du sel, de l’ordre de 1 à 4% pour le fromage et le beurre. Le salage permet alors d’inhiber partiellement le développement microbien, notamment celui des ferments lactiques. Dans la boulangerie, la biscuiterie et la biscotterie, le sel agit comme exhausteur de goût et retarde la fermentation des levures. Enfin dans l’industrie de la pêche, de nombreux poissons sont traités par salage (thon, morue, anchois…etc). Le sel agit alors en tant qu’agent déshydratant de la chair de poisson. Tous ces exemples énumérés mettent en évidence l’utilisation massive de sel dans le secteur alimentaire. Par conséquent, s’il y a utilisation de sel pour la production de produits finis, il existe des rejets de pollution saline. Les sources de pollutions salines dans les entreprises agroalimentaires proviennent donc essentiellement de l’utilisation de produits conservés dans une solution de saumure, de la fabrication de saumure pour la production du produit fini et de l’utilisation de sel « sec » (chlorure de sodium par exemple).

Dans la production de légumes saumurés la pollution saline provient des rejets de bains de saumure et des sels se retrouvant dans les eaux de lavage. Les huileries d’olive rejettent notamment de grandes quantités de déchets solides (noyaux, peaux) et de liquides salés. Ces effluents provenant des procédés de fabrication d’huile d’olive ne contiennent pas seulement des composés minéraux mais également des sucres, acides organiques, lipides… [Vitolo et al. 1999]. Les effluents de fromagerie, provenant des eaux de lavage, contiennent une grande quantité de sels, de matières en suspension et de matières organiques. Les sources de pollution saline en charcuterie sont liées à l’utilisation de boyaux conservés dans des fûts de saumure et au salage des viandes (jambon). L’industrie de transformation des produits de la pêche génère des effluents riches en composés minéraux (sulfate), matières organiques, graisses, azote… [Degrémont 2005].

Les industries chimiques et pharmaceutiques

Les industries chimiques, particulièrement celles du secteur de la production du chlore et de la soude, mais aussi les industries pharmaceutiques, génèrent, en plus des émissions de gaz et de déchets solides, des effluents liquides fréquemment concentrés en sels. Les produits fabriqués sont généralement issus de la fermentation de solutions complexes composées de matière organique d’origine synthétique, végétale ou animale et de sels minéraux. La difficulté de traitement de ces effluents provient en grande partie de leur variabilité non seulement d’une usine à l‘autre mais aussi au sein d’une même unité de production. Les effluents pharmaceutiques sont par ailleurs généralement riches en matières solubles (sulfates) et en suspension ainsi qu’en substances organiques [Suman Raj et al. 2005].

Les industries pétrolière et textile

Le processus de raffinage du pétrole fait appel à des produits dé-émulsifiants permettant une séparation du mélange pétrole/eau. Les effluents générés par la décantation de ces émulsions, appelés eaux de production, présentent une large gamme de salinité allant de l’eau douce à trois fois la salinité de l’eau de mer (3 fois 30 g.L-1 en NaCl) [Degrémont 2005]. L’industrie textile génère également des effluents caractérisés par une forte concentration en sel, principalement du chlorure de sodium, nécessaire à la fixation de la teinture. De plus, ces effluents sont particulièrement riches en composés organiques, comme les colorants .

Les concentrats d’osmose inverse

L’osmose inverse est un procédé utilisé dans le domaine du dessalement de l’eau de mer [Lu et al. 2006]. Il est également de plus en plus utilisé dans divers secteurs, pour concentrer des produits en fin de procédé d’élaboration et/ou pour extraire le solvant (l’eau en général) à des fins de réutilisation. Donnons un exemple très récent de la purification d’un résidu liquide provenant de la fabrication d’un jus de citron. Le concentrat obtenu par osmose inverse contient quatre fois plus de sucre que le jus initial [Scordino et al. 2006]. Dans ce cas précis, le concentrat peut être réutilisé pour d’autres applications du secteur agroalimentaire, en tant qu’édulcorant naturel ou dans l’industrie des boissons. Mais cette réutilisation du concentrat n’est pas systématique voire très occasionnelle. Le concentrat issu de l’osmose inverse constitue alors un effluent fortement chargé en espèces organiques et minérales. L’augmentation de l’utilisation de l’osmose inverse conduit à une augmentation des concentrats tant quantitative (augmentation des volumes) que qualitative (augmentation des concentrations).

Les lixiviats

Sur les sites de stockage des déchets, les eaux de pluie peuvent se charger en polluants lors de leur ruissellement. Ces eaux polluées sont appelées lixiviats, ou « jus de décharge ». Elles contiennent des espèces organiques et inorganiques très diverses. Leur composition varie suivant de nombreux paramètres comme les conditions climatiques et le type de déchets contenus dans la décharge. Les lixiviats nécessitent un traitement avant rejet en milieu naturel. Cependant les procédés biologiques ne sont pas adaptés, de tels effluents étant trop chargés en sels et/ou contenant des composés toxiques. Afin de pouvoir être biodégradés, les lixiviats nécessitent donc un pré-traitement par voie chimique ou physique. De nombreux travaux de recherche traitent actuellement de l’intégration de procédés membranaires [Bohdziewicz et al. 2001], comme la nanofiltration [Trebouet et al. 2001] ou l’électrodialyse [Schoeman et al. 2005] dans la chaîne de traitement des lixiviats.

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE I : PROBLEMATIQUE
I. Problématique des effluents salins
I.1. Différentes sources de production
I.1.1. L’industrie agroalimentaire
I.1.2. Les industries chimiques et pharmaceutiques
I.1.3. Les industries pétrolière et textile
I.1.4. Les concentrats d’osmose inverse
I.1.5. Les lixiviats
I.1.6. Bilan
I.2. Traitement biologique des effluents salins
II. Approche proposée – Intégration de l’électrodialyse en amont du traitement biologique
II.1. L’électrodialyse conventionnelle
II.2. Intégration de l’électrodialyse – Objectifs
CHAPITRE II : MATERIELS ET METHODES
I. Etude de l’électrodialyse
I.1. Pilote d’électrodialyse
I.2. Protocole opératoire
II. Etude de la biodégradation
II.1. Dispositif de respirométrie
II.2. Protocoles opératoires
III. Fluides utilisés
III.1. Effluents synthétiques
III.2. Effluent réel
IV. Techniques analytiques
IV.1. Réfractométrie
IV.2. Chromatographie ionique
IV.3. Analyse du carbone organique
CHAPITRE III : ETUDE DES TRANSFERTS EN ELECTRODIALYSE / DEMINERALISATION D’EFFLUENTS SYNTHETIQUES
I. Phénomènes de transfert de matière
II. Modélisation du transfert de matière
II.1. Choix du modèle
II.2. Transfert sans migration
II.3. Transfert avec migration
II.4. Transfert de matière et performances
II.5. Paramètres et grandeurs caractéristiques du modèle
III. Résultats et discussion
III.1. Transfert sans migration
III.1.1. Validation des hypothèses du modèle
III.1.2. Comparaison du coefficient de diffusion effectif avec le coefficient de diffusion en solution diluée
III.1.3. Influence de la composition ionique sur le coefficient de transfert
III.1.4. Discussion
III.2. Transfert avec migration
III.3. Déminéralisation d’effluents synthétiques
Conclusion
CHAPITRE IV : INFLUENCE DE LA COMPOSITION IONIQUE SUR L’ACTIVITE BIOLOGIQUE
I. Mise en place de l’étude
I.1. Composition des solutions synthétiques
I.2. Exploitation des données : taux spécifique de croissance et temps de latence
II. Résultats et discussion
II.1. Influence de la concentration en MO
II.2. Influence de la concentration et de la nature des sels minéraux
II.2.1. Réponses respirométriques
II.2.2. Quantité d’oxygène consommée
II.2.3. Période d’acclimatation et temps de latence
II.2.4. Taux spécifique de croissance
II.2.5. Discussion
Conclusion
CHAPITRE V : TRAITEMENT D’UN EFFLUENT REEL : COUPLAGE ELECTRODIALYSE ET BIODEGRADATION
I. Mise en place de l’étude
II. Protocole opératoire
II.1. Déminéralisation par électrodialyse
II.2. Couplage avec le traitement biologique
III. Etude de la déminéralisation
III.1. Electrodialyse à intensité constante
III.2. Electrodialyse à différence de potentiel constante
IV. Etude de la dégradation biologique
Conclusion
CONCLUSION

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