Technologies avancées d'oxydation pour le traitement en profondeur des eaux usées : comparaison et sélection

Avec la publication des normes de rejet de polluants par les collectivités locales, les stations d'épuration sont confrontées au problème de leur modernisation et de leur rénovation. Même dans les stations d'épuration municipales, une certaine proportion d'eaux usées industrielles est parfois mélangée à l'eau entrante, ce qui complexifie la composition de l'eau brute et augmente la teneur en matières organiques difficiles à dégrader. Cela pose d'importantes difficultés pour la conformité aux normes CODCr lors de la modernisation et de la rénovation des stations d'épuration.

Le gouvernement a successivement publié les « Dix mesures pour l'eau » et les « Lignes directrices pour l'assainissement des eaux usées urbaines noires et odorantes », proposant des échéances pour l'amélioration de la qualité de l'eau à l'échelle nationale et l'assainissement des eaux usées urbaines noires et odorantes. Les collectivités locales ont également introduit successivement des normes de rejet de polluants pour les stations d'épuration. L'objectif principal est de réduire la teneur en DCO de l'eau à 50 mg/l, 30 mg/l selon différentes normes, voire à moins de 20 mg/l afin d'obtenir une valeur de réutilisation. L'application de technologies d'oxydation avancées dans le traitement en profondeur des stations d'épuration est en plein essor.

Il existe trois procédés d'oxydation avancés pour éliminer la DCOcr de l'eau : le procédé d'oxydation de Fenton, le procédé d'oxydation catalytique au ClO₂ et le procédé d'oxydation catalytique à l'O₃. Une comparaison économique et technique de ces trois procédés est maintenant réalisée.

Processus d'oxydation Fenton

La combinaison de sels ferreux et de peroxyde d'hydrogène est appelée réactif de Fenton. Il permet d'oxyder et d'éliminer efficacement les composés organiques difficiles à dégrader, impossibles à éliminer par les techniques traditionnelles de traitement des eaux usées. Son principe réside dans le fait que H₂O₂ génère des radicaux hydroxyles (·OH) hautement réactifs sous l'action catalytique du Fe₂+, capables de réagir avec la plupart des composés organiques pour les dégrader.

Caractéristiques du procédé d'oxydation de Fenton

1) L’oxydation n’est pas sélective et a une forte capacité à éliminer la matière organique ;

2) La matière organique se décompose finalement en CO2 et H2O, sans produits intermédiaires toxiques ou nocifs, garantissant ainsi la sécurité et la protection de l’environnement ;

3) La valeur du pH des eaux usées doit être comprise entre 2 et 4. Les eaux usées doivent être ajustées à un pH acide, puis à un pH neutre une fois l'oxydation terminée ;

4) La forte consommation de produits chimiques nécessaires à la dégradation complète de la DCO entraîne des coûts de traitement élevés ;

5) Le temps de réponse rapide est court.

L'oxydation Fenton convient aux applications élevées, ce qui entraîne des coûts de traitement élevés ;

La méthode d'oxydation par réactif de Fenton est difficile à appliquer dans les stations d'épuration de grande et moyenne taille en raison de la nécessité d'un ajustement acide et alcalin, de la consommation élevée de réactif, du temps de réaction long et du volume de boues important.

La méthode d'oxydation par réactif de Fenton convient aux petites et micro-usines de traitement des eaux usées avec des eaux entrantes acides, en particulier pour le traitement des eaux usées acides dans certaines entreprises intermédiaires de colorants, de pesticides et de produits pharmaceutiques.

Procédé d'oxydation catalytique du ClO2

L'oxydation catalytique au dioxyde de chlore est une technologie d'oxydation avancée pour le traitement de l'eau, perfectionnée et développée sur la base de l'oxydation chimique. Son principe consiste à utiliser un oxydant puissant, le dioxyde de chlore, pour catalyser l'oxydation des polluants organiques présents dans les eaux usées à température et pression normales, en présence de catalyseurs de surface. Les polluants organiques sont directement oxydés en dioxyde de carbone et en eau, ou les polluants organiques à grosses molécules sont oxydés en polluants organiques à petites molécules, ce qui améliore la biodégradabilité des eaux usées et élimine efficacement les polluants organiques.

Caractéristiques du procédé d'oxydation catalytique ClO2

1) La capacité d’oxydation du ClO2 est durable ;

2) La réaction entre ClO2 et les composés organiques ne produit pratiquement pas de chlorures organiques divergents et pas de trichlorométhane cancérigène ;

3) La réaction avec les composés organiques présente une sélectivité significative, et la capacité d'oxydation est fortement corrélée aux types de substituants présents sur les composés organiques. L'utilisation de catalyseurs efficaces permet de surmonter leur sélectivité pour l'oxydation de la matière organique ;

4) La dégradation de la matière organique génère principalement des composés à petites molécules avec des groupes oxygénés, qui peuvent augmenter la valeur DBO5 des eaux usées et améliorer la biodégradabilité ;

5) La valeur du pH des eaux usées doit être légèrement acide (environ 6), il est donc nécessaire d'ajuster les eaux usées à l'acide puis de les ajuster à la neutralité après oxydation.

6) Temps de réaction : entre 45 et 60 minutes.

2. Occasions applicables à l'oxydation catalytique du ClO2

En raison du pH acide (environ 6) requis par la technologie d'oxydation catalytique du dioxyde de chlore, les eaux usées doivent être ajustées à l'acide puis à la neutralité après l'oxydation, ce qui limite leur application dans les stations d'épuration de grande et moyenne taille.

En raison de la sélectivité importante de la réaction entre le dioxyde de chlore et les composés organiques, il est nécessaire de sélectionner des catalyseurs adaptés. Dans la pratique, le choix des catalyseurs est complexe et difficile, ce qui limite leur promotion et leur application dans les eaux usées industrielles.

À l’heure actuelle, les domaines dans lesquels la technologie d’oxydation catalytique du dioxyde de chlore a été appliquée avec succès comprennent :

1) De bons résultats ont été obtenus dans le traitement des eaux usées de gaz de houille, des eaux usées contenant une forte concentration de cyanure, des eaux usées d'éther para-aminobenzylique, des eaux usées de phénol-formaldéhyde et des eaux usées d'impression et de teinture, qui peuvent éliminer les polluants organiques les plus difficiles à dégrader et améliorer la biodégradabilité des eaux usées ;

2) Il a de bons effets de décoloration et d'élimination de la DCO sur les colorants hydrosolubles facilement oxydables tels que les colorants cationiques, les colorants azoïques et les colorants insolubles dans l'eau facilement oxydables tels que les colorants sulfurés.

Procédé d'oxydation catalytique à l'ozone

L'oxydation catalytique à l'ozone consiste à utiliser les radicaux hydroxyles [·OH] générés par l'ozone sous l'action d'un catalyseur pour oxyder et décomposer les polluants organiques présents dans l'eau. Grâce à la forte capacité d'oxydation de ·OH et à la non-sélectivité de la réaction, l'oxydation et la décomposition de la grande majorité des composés organiques (y compris certains composés organiques très stables et difficiles à dégrader) sont rapides.

Les catalyseurs à base de charbon actif chargés de métaux sont des matériaux composites composés d'un mélange de petites particules cristallines et amorphes, dont la surface contient un grand nombre de groupes fonctionnels acides ou basiques. La présence de ces groupes fonctionnels acides ou basiques, en particulier les groupes hydroxyles et hydroxyles phénoliques, confère au catalyseur non seulement une capacité d'adsorption, mais aussi une capacité catalytique. Dans le processus synergétique ozone/catalyseur, l'ozone se décompose sous l'action du catalyseur pour produire [·OH], ce qui déclenche une réaction en chaîne. Cette réaction produit également un atome d'oxygène [·O], hautement réactif et fortement oxydant.

Caractéristiques de l’oxydation catalytique à l’ozone

1) Capacité extrêmement forte à oxyder les polluants organiques et à éliminer la matière organique ;

2) La participation de catalyseurs réduit considérablement la sélectivité de l’oxydation et est presque universellement applicable ;

3) La matière organique se décompose finalement en CO2 et H2O, sans produits intermédiaires toxiques ou nocifs, garantissant ainsi la sécurité et la protection de l’environnement ;

4) La valeur du pH peut être neutre ou alcaline, et il n’est pas nécessaire d’ajuster la valeur du pH des eaux usées ;

5) Le générateur d'ozone génère de l'ozone à partir d'électricité et d'air, sans agents chimiques, garantissant la sécurité et l'hygiène sur site ;

6) Le temps de réaction d'oxydation est relativement court, généralement contrôlé à environ 30 minutes, et le volume du réacteur est petit.

Occasions applicables pour l'oxydation catalytique à l'ozone

Grâce à ces caractéristiques, la technologie d'oxydation catalytique à l'ozone est quasiment adaptée à la dégradation de la DCOcr dans les stations d'épuration de toutes tailles, quelle que soit leur nature. Comparée aux trois procédés d'oxydation mentionnés ci-dessus, l'oxydation catalytique à l'ozone présente un bon effet de traitement, une large applicabilité et une technologie mature. De plus, elle est utilisée avec succès dans de nombreuses stations d'épuration nationales et internationales.

Les eaux usées à traiter en profondeur étant issues d'un bassin de décantation ayant subi un traitement biologique aérobie, leur rapport DBO/DCO est déjà assez faible. Pour réduire davantage la DCO, des méthodes de traitement avancées doivent être utilisées. Parmi toutes les méthodes de traitement avancées, la technologie d'oxydation catalytique à l'ozone offre d'excellents résultats, une large application et une technologie mature. De plus, elle est utilisée avec succès dans de nombreuses stations d'épuration nationales et internationales. Comparée aux autres méthodes d'oxydation avancées, elle présente les avantages d'un faible coût d'investissement, d'une grande tolérance aux variations de qualité de l'eau, d'une exploitation et d'une maintenance aisées et de faibles coûts d'exploitation.