TRAITEMENT DES EAUX RESIDUAIRES DE LAITERIE

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Origine de la pollution des eaux de laiterie

Les eaux résiduaires industrielles laitières se composent exclusivement de rinçage et de nettoyage. Ces eaux sont constituées à la réception du lait ou au poste de remplissage des récipients, au nettoyage des camions-citernes, des stérilisateurs et évaporateurs ainsi que les diverses installations de laiteries. Elles sont polluées par des traces de lait, parfois aussi par les produits chimiques utilisés pour le nettoyage et la désinfection (l’acide nitrique, la soude et le désinfectant). Pour les eaux provenant de l’atelier de beurrerie, celles-ci vu leur teneur en graisses et en sels nutritifs, sont évacuées avec les eaux résiduaires (Meinof et al, 1977). Les eaux résiduaires peuvent aussi avoir pour origine, les eaux de refroidissement et condensats qui constituent un volume d’effluent à ne pas négliger. Ces eaux sont généralement très peu polluées, car elles ne sont pas en contact avec les produits fabriqués ce qui permet très souvent leur recyclage (Boeglin, 2007).

Polluants des eaux de laiterie

On peut trouver dans les effluents de laiterie deux catégories principales de polluants :
– Les produits laitiers eux-mêmes, matières premières ou produits finis.
– Les réactifs utilisés pour les lavages et qui sont le plus souvent des produits acides (acide nitrique), des produits basiques (à base de soude) et des produits stérilisants (eau de javel). Il s’agit essentiellement de réactifs minéraux qui n’entraînent pas de pollution spécifique (les composés minéraux n’apparaissant pas dans les textes officiels), et qui sont de toute façon en faible concentration. Par contre, ils peuvent entraîner des pointes de pH soit dans le domaine basique, soit dans le domaine acide. Il faut également signaler le risque de pollution accidentelle qui peut exister du fait de la présence de compresseur à ammoniac. Il est souhaitable de prendre des précautions préliminaires pour éviter le rejet massif d’ammoniac en cas de rupture de tuyauteries (Burgaud, 1969).

Paramètres de caractérisation de la pollution

On appelle pollution de l’eau toute modification des caractéristiques de l’eau ayant un caractère gênant ou nuisible pour les usages humains, la faune ou la flore. Au cours de son utilisation, l’eau s’appauvrit ou s’enrichit de substances de toutes sortes, ou change de température. Les pollutions qui en résultent se retrouvent dans le milieu naturel. L’étude de la pollution d’une eau, nécessite la connaissance d’un certain nombre de paramètres : qu’on appellera « paramètres de pollution », ils permettent d’évaluer le degré de pollution de l’eau étudiée. (Rodier et al, 1996).

Paramètres organoleptiques

La qualité organoleptique de l’eau est importante car les odeurs, la couleur et la turbidité sont des paramètres qualitatifs importants dans la caractérisation de la pollution. Ces odeurs et goûts, ont d’origines diverses et peuvent constituer des nuisances pour l’environnement (Couillard et al, 1992).

Couleur

La coloration d’une eau est dite vraie ou réelle lorsqu’elle est due aux seules substances en solution. Elle est dite apparente quand les substances en suspension y ajoutent leur propre coloration. Les couleurs réelles et apparentes sont approximativement identiques dans l’eau claire et les eaux de faible turbidité (Rodier, 2005). Elle représentera un indicateur de pollution si elle dépasse l’équivalent de 15 mg/1 de platine cobalt (Lefèvre, 1991).

Odeur

Toute odeur est un signe de pollution ou de présence de matières organiques en décomposition (Rodier, 2005). L’odeur peut être définie comme :
– L’ensemble des sensations perçues par l’organe olfactif en flairant certaines substances volatiles.
– La qualité de cette sensation particulière provoquée par chacune de ces substances.

La turbidité

Une eau turbide est une eau trouble. Cette caractéristique vient de la teneur de l’eau en particules en suspension, associées au transport de l’eau. Au cours de ce parcours, l’eau se charge de quantités énormes de particules, qui troublent l’eau. Les matières, mêlées à l’eau, sont de natures très diverses : matières d’origine minérale (argile, limon, sable…), micro particules, micro-organismes. La turbidité est mesurée par un test optique qui détermine la capacité de réflexion de la lumière (l’unité de mesure est le « NTU » – unités néphélométriques) (Cheick, 2007).

Paramètres physico-chimiques

Température

La température est un facteur écologique important du milieu. Sa connaissance doit être précise car elle joue un rôle dans la solubilité des sels dissous et surtout des gaz, donc sur la conductivité électrique et du la détermination du pH. Elle agit aussi comme un facteur physiologique agissant sur le métabolisme de croissance des micro-organismes vivant dans l’eau (Rodier et al, 1996). Une température élevée peut favoriser des goûts et des odeurs désagréables. De plus elle accélère la plupart des réactions physico-chimiques (Maiga, 2005).

Potentiel d’hydrogène « pH »

Le pH est une mesure de l’acidité de l’eau c’est -à-dire de la concentration en ions d’hydrogène (H+). L’échelle des pH s’étend en pratique de 0 (très acide) à 14 (très alcalin) ; la valeur médiane 7 correspond à une solution neutre à 25°C. Le pH d’une eau naturelle peut varier de 4 à 10 en fonction de la nature acide ou basique des terrains traversés. Des pH faibles (eaux acides) augmentent notamment le risque de présence de métaux sous une forme ionique plus toxique. Des pH élevés augmentent les concentrations d’ammoniac, toxique pour les poissons (De villers et al, 2005).

La Conductivité

La conductivité est la propriété que possède une eau de favoriser le passage d’un courant électrique. Elle est due à la présence dans le milieu d’ions qui sont mobiles dans un champ électrique. Elle dépend de la nature de ces ions dissous et de leurs concentrations (Rejsek, 2002). La conductivité électrique d’une eau est la conductance d’une colonne d’eau comprise entre deux électrodes métalliques de 1 cm2 ; elle s’exprime en siemens par mètre (S/m) ou en sous unités micro-siemens par centimètre (μS/cm) pour les eaux naturelles (Rodier, 2005).

Demande Chimique en Oxygène (DCO)

La dégradation des matières organiques (d’hydrates de carbone, de matières protéiques, d’acides aminés, de lipides et autres substances de réserves) déversées dans les cours d’eau entraîne une consommation de l’oxygène dissout dans l’eau. Cela se fait au détriment des organismes vivants et peut entraîner ainsi l’asphyxie du milieu. La pollution par les matières organiques est provoquée par les rejets industriels (industries chimiques, pétrolières, agro-alimentaires, …) et les rejets domestiques. L’importance de cette pollution dans un effluent peut être évaluée par la demande chimique en oxygène (DCO). La DCO permet d’apprécier la concentration en matières organiques ou minérales, dissoutes ou en suspension dans l’eau, au travers de la quantité d’oxygène nécessaire à leur oxydation chimique totale. Ainsi, par la mesure de la DCO, on pourra évaluer la charge polluante d’une eau usée en matières organiques avant et après un traitement physique, chimique ou biologique afin de contrôler le fonctionnement d’une station d’épuration (STEP) et l’activité des microorganismes (Lefèvre, 1991).

Demande Biochimique en Oxygène (DBO)

La demande biochimique en oxygène (DBO), représente la quantité d’oxygène utilisée par les bactéries, pour décomposer partiellement ou pour oxyder totalement les matières biochimiques oxydables présentes dans l’eau. L’indicateur utilisé est généralement la DBO5 qui correspond à la quantité d’oxygène (exprimée en mg/ L) nécessaire aux microorganismes décomposeurs pour dégrader et minéraliser en 5 jours la matière organique présente dans un litre d’eau polluée. Plus la DBO5 est élevée, plus la quantité de matières organiques présentes dans l’échantillon est élevée (De villers et al, 2005). L’analyse de la DBO5 est surtout intéressante à réaliser pour l’appréciation de la qualité des eaux brutes. (Bremond et al, 1973).

Matières en suspension (MES)

Les matières en suspension (MES) constituent l’ensemble des particules minérales et/ou organiques présentes dans une eau naturelle ou polluée. Elles peuvent être composées de particules de sable, de terre et de sédiment arrachées par l’érosion, de divers débris apportés par les eaux usées ou les eaux pluviales, et d’êtres vivants planctoniques (notamment les algues). Elles correspondent à la concentration en éléments non dissous d’un échantillon. L’abondance des matières en suspension dans l’eau favorise la réduction de la luminosité et abaisse la production biologique du fait, en particulier, d’une chute de l’oxygène dissous consécutive à une réduction des phénomènes de photosynthèse (Cheick, 2007).

Paramètres indésirables

Sont dites indésirables certaines substances qui peuvent créer soit un désagrément pour le consommateur : goût et odeur (matières organiques, phénols, fer…), couleur (fer, manganèse…), soit causer des effets gênants pour la santé (nitrates, fluor…). On surveille donc prioritairement la contamination des eaux par des matières organiques (mesurée par l’oxydabilité au permanganate de potassium), la concentration en ammonium, la présence de nitrites et de nitrates et la concentration en fer car leurs conséquences sur la santé publique sont reconnues graves (Behloul, 2009).

Hydrocarbures

Ce terme fait la plupart du temps référence aux huiles minérales qui comportent des substances telles que les alcanes, les alcènes, etc. Outre leur toxicité, ces substances peuvent limiter l’apport d’oxygène dans les eaux de surface lorsqu’elles sont présentes en concentrations élevées. Ces polluants incluent également les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) ainsi que les hydrocarbures aromatiques monocycliques (HAM). Les HAP sont des combinaisons organiques résultant de l’assemblage de plusieurs noyaux benzéniques. Ces composés sont relativement stables et peu solubles dans l’eau. Ils s’adsorbent fortement aux sols et aux matières en suspension et sont, en outre, très solubles dans les graisses ce qui favorise leur bioaccumulation dans les tissus humains et animaux. Plusieurs HAP sont classés comme agents cancérigènes possibles par l’OMS. Les HAM incluent des polluants comme le benzène, le toluène, l’éthylbenzène et le xylène dont les impacts sur la santé peuvent être très importants (diminution de la réponse immunitaire, effet neurotoxique, irritation des voies respiratoires…) (De villers et al, 2005).

Chlorures et sulfates en solution

Les chlorures (Cl-) et les sulfates (SO4–) font généralement l’objet d’un suivi particulier. Une forte teneur en chlorures peut indiquer une nuisance sur la santé (hypertension) notamment pour, les eaux domestiques. Les eaux usées de nombreuses industries peuvent également contenir des sulfates qui peuvent élevés l’acidité de l’eau. Les ions associés au chlorures et sulfates à savoir le calcium (Ca++), magnésium (Mg++), potassium (K+), fluor (F-) peuvent être également mesurés. Les éléments en solution sont exprimés en mg/L (De villers et al, 2005).

Les nitrates

Les nitrates sont considérés comme étant des composés indésirables dans l’eau étant donné les possibilités de réduction de ces substances en nitrites et en fin de chaine réactionnelle en nitrosamines qui sont reconnues cancérigènes (Behloul, 2009). La présence des nitrates dans le milieu aquatique, a diverses origines :
* Agricole : agriculture intensive avec utilisation massive d’engrais azoté ainsi que des rejets d’effluents d’élevage. Cette source représente les 2/3 de l’apport en nitrates dans le milieu naturel.
* Urbaine : rejet des eaux épurées des stations d’épuration où l’élimination de l’azote n’est pas totale et qui peuvent se transformer en nitrates dans le milieu naturel.

Paramètres toxiques

Une pollution industrielle du captage ou une dégradation des réseaux de distribution peut entraîner la présence d’éléments toxiques dans l’eau, dangereux pour la santé en cas de consommation régulière (Lounnas, 2008). Les matières toxiques en raison de leur persistance, de leur bioaccumulation, sont de nature à engendrer des nuisances même lorsqu’elles sont rejetées en très faibles quantités d’où leurs suivi obligatoire notamment en milieu aqueux. Les composés toxiques sont de nature organique :des composés phénoliques, organohalogénes, hormones, etc. ou des micropolluants inorganiques notamment des métaux lourds : mercure, cuivre, cadmium, nickel, plomb,…. (Messrouk, 2011 ; Dominique, 2012).
Contrairement aux polluants organiques, les métaux ne peuvent pas être dégradés biologiquement ou chimiquement.
Les métaux lourds sont solubles en milieu acide. Dans des eaux neutres ou basiques, ils précipitent et s’accumulent principalement dans la phase solide (boues). L’analyse de ces boues permet ainsi d’obtenir une vue de l’ensemble des déversements en métaux lourds qui ont eu lieu, tant en qualité qu’en quantité.

Paramètres microbiologiques (bactéries, virus, parasites)

Les eaux résiduaires peuvent contenir de nombreux germes (champignons, amibes, protozoaires, bactéries, virus) dont certains sont pathogènes. La présence de coliformes et de streptocoques, témoigne d’une contamination fécale de ces eaux, qu’il est impératif d’épurer pour préserver le milieu naturel (Bonnefoy et al, 2002).
• Virus
Les virus se trouvent dans les eaux résiduaires à des concentrations de l’ordre de milliers d’unités infectieuses par millilitre d’eau. Parmi les infections virales d’origine hydrique, on peut citer la poliomyélite, et l’hépatite A. (Aitbara, 2013).
• Les streptocoques fécaux et Enterococcus
Sous la dénomination générale de « streptocoques fécaux », il faut entendre l’ensemble des streptocoques possédant la substance (acide teichoïque) antigénique caractéristique du groupe D de Lancefield. Ces streptocoques du groupe D sont généralement pris globalement en compte comme des témoins de pollution fécale, car tous ont un habitat fécal.
• Les bactéries coliformes
Elles comprennent des germes d’origine fécale mais aussi environnementale : elles ne sont donc pas un bon indicateur de contamination fécale mais leur présence en sortie de production révèle un dysfonctionnement de la désinfection. Aussi, en présence de coliformes, il est indispensable de corriger le traitement et de vérifier l’état des installations de distribution. La présence seule de quelques coliformes dans les eaux souterraines non désinfectées traduit une vulnérabilité de la ressource, leur quantité doit rester réduite.

Impact des eaux résiduaires sur l’environnement

Les eaux résiduaires contiennent divers agents pathogènes, dont un grand nombre sont capables de survivre suffisamment dans l’environnement (sur les cultures ou dans le sol). Les eaux résiduaires rejetées dans le milieu récepteur aquatique entraînent sa pollution voire son eutrophisation possible qui a pour conséquence, la destruction de la faune et de la flore aquatique et, par suite, rendre impossible d’autres utilisations bénéfiques des cours d’eau par exemple les loisirs, la navigation de plaisance, l’agriculture, la pêche et l’élevage des mollusques et crustacés (Vander Borghet et ska, 1989 ; OMS, 1973).
En outre, le rejet d’eaux résiduaires non traitées risque de provoquer la dégradation physique, chimique et biologique des ressources en eau. Si le traitement n’est pas réalisé dans de conditions optimisées, l’eau rejetée risque de favoriser la propagation de maladies telles que le choléra, la fièvre typhoïde et autres infections intestinales (OMS n°517, 1973). Par ailleurs, les rejets des eaux résiduaires peuvent occasionner des pollutions ou perturbations du milieu naturel de type : couleur, turbidité, odeur, matières en suspension, composition physico-chimique (REX-AMO, 2012). Pour les eaux résiduaires de laiterie, l’impact de la pollution des eaux non traitées est aussi néfaste que pour les eaux industrielles en général sauf que la pollution est dans ce cas plutôt organique (Moletta et al ,1999).

Aspect réglementaire

La lutte contre la pollution des eaux a pris récemment une importance considérable: il ne s’agit plus seulement, de protéger le milieu dans lequel vit l’homme, ou le milieu aquatique, mais aussi et surtout de faire en sorte que l’homme ne manque pas d’eau dont il fait une consommation de plus en plus grande. Les normes de la Communauté Européennes (normes C.E.E.) relatives à la qualité des eaux, ainsi que les nouvelles normes de l’Organisation Mondiale de la Santé (O.M.S.) parus en 2007 découlent de cette évolution. En Algérie, il y a actuellement un regain d’attention et d’activité sur l’aspect réglementaire de la pollution de l’environnement et de l’eau en particulier. Il était temps car, pour les eaux résiduaires, un seul texte est sorti datant de 1993, réajusté en 2006 (J.O.R.A., 2006). Cette réglementation (Tableau I.1) montre 25 paramètres qui se rapprochent plus ou moins des normes O.M.S. et C.E.E. Cependant leur nombre est insuffisant surtout en raison de l’absence de paramètres microbiologiques. Les textes d’avril 2006 sont destinés aux déversements industriels en général et ne représentent pas toujours la spécificité du rejet laitier.

Table des matières

Introduction générale
Références bibliographiques
CHAPITRE I. GENERALITES SUR LES EAUX RESIDUAIRES DE LAITERIE
I .1. Introduction
I.2. Origine de la pollution des eaux de laiterie
I.3. Polluants des eaux de laiterie
I.4. Paramètres de caractérisation de la pollution
I.4.1. Paramètres organoleptiques
I.4.1.1. Couleur
I.4.1.2. Odeur
I.4.1.3. La turbidité
I.4.2. Paramètres physico-chimiques
I.4.2.1. Température
I.4.2.2. Potentiel d’hydrogène « pH »
I.4.2.3. La Conductivité
I.4.2.4. Demande Chimique en Oxygène (DCO)
I.4.2.5. Demande Biochimique en Oxygène (DBO)
I.4.2.6. Matières en suspension (MES)
I.4.3. Paramètres indésirables
I.4.3.1. Hydrocarbures
I.4.3.2. Chlorures et sulfates en solution
I.4.3.3. Les nitrates
I.4.4. Paramètres toxiques
I.4.5. Paramètres microbiologiques
 Virus
 Les streptocoques fécaux et Enterococcus
 Les bactéries coliformes
I.5. Impact de la pollution des eaux de laiterie sur l’environnement
I.6. Aspect réglementaire
I .7. Conclusion
Références bibliographiques
CHAPITRE II. TRAITEMENT DES EAUX RESIDUAIRES DE LAITERIE
II.1. Introduction
II.2.Traitements Biologiques
II.2.1. Les procédés biologiques aérobies
II.2.2. Les procédés biologiques anaérobies
II.3. Bref aperçu sur les traitements physico-chimiques utilisés
II.3.1. Traitement d’Electrocoagulation
II.3.1.1. Introduction
II.3.1.2. Origine et évolution du procédé d’électrocoagulation
II.3.1.3. Principe de l’électrocoagulation
II.3.1.4. Différentes réactions aux électrodes et diagrammes pH (Al, Fer)
II.3.1.5.Différents réacteurs et modes de circulation utilisés dans le procédé d’électrocoagulation
II.3.1.6. Différents modes de connexions électriques
II.3.1.7. Lois régissant l’électrolyse (seconde loi de Faraday)
II.3.1.8. Rendement de Faraday et rendement énergétique
II.3.1.9. Energie consommée
II.3.2.0. Application de l’électrocoagulation
II.3.2.1. Avantages et inconvénients
II.3.2.Traitement par Adsorption
II.3.2.1. Définition de l’adsorption
II.3.2.2. Adsorption chimique (ou chimisorption)
II.3.2.3. Adsorption physique (ou physisorption)
II.3.2.4. Description du mécanisme d’adsorption
II.3.2.5. Isothermes d’adsorption
II.3.2.6.Modélisation de l’adsorption
II.3.2.6.1. Isotherme de Langmuir
II.3.2.6.2. Isotherme de Freundlich
II.3.2.7 Matériaux adsorbants
II.3.2.7.1. Matériaux classiques (conventionnels)
 Le Charbon actif
 Zéolithes
 Les argiles
II.3.2.7.2. Bioadsorbant
II.3.3. Les procédés d’oxydation avancée
II.3.4. Traitements couplés avec l’EC
II .4. Conclusion
Références Bibliographiques
CHAPITRE III. Matériels et méthodes
III.1. Echantillonnage et paramètres analysés
III.2. Procédure expérimentale
III.2.1. Réacteur d’EC et procédure expérimentale
III.2.2. Expériences d’adsorption
III.2.3. Expériences d’oxydation avancée
III.2.4. Expériences de couplage
Références bibliographiques
Chapitre IV. Résultats et Discussion
IV.1 .Introduction
IV.2. Caractérisation de l’eau résiduaire de laiterie
IV.3. Résultats du traitement d’EC des eaux résiduaires de laiterie
IV.3.1. Effet de la densité de courant et du temps de réaction
IV.3.2. Effet de débit
IV.3.3. Effet de la turbidité initiale
IV.3.4. Effet du pH
IV.3.5. Effet d’agitation du réacteur d’EC sur l’efficacité du traitement
IV.3.6. Effet de l’utilisation répétée des électrodes sur l’efficacité du traitement
IV.3.7. Influence du matériau d électrode sur l’efficacité de traitement d’EC
IV.4. Résultats du traitement d’adsorption des eaux résiduaires de laiterie
IV.4.1.Adsorption sur CAG
IV.4.1.1. Effet de la concentration de l’adsorbant
IV.4.1.2.Effet de la turbidité initiale
IV.4.2. Adsorption sur noyau de datte
IV.4.2.1. Effet de la concentration de l’adsorbant
IV.4.2.2.Effet de la turbidité initiale
IV.4.3. Adsorption sur la diatomite
IV.4.3.1. Effet de la concentration de l’adsorbant
IV.4.3.2.Effet de la turbidité initiale
IV.4.4. Résultats comparatives de l’adsorption des eaux de laiterie sur différents matériaux
IV.4.5. Cinétique de digestion de matière organique
IV.5. Résultats du traitement d’Oxydation avancé des eaux résiduaires de laiterie
IV.5. 1. Résultats de l’oxydation chimique des eaux résiduaires de laiterie par H2O2 et K2S2O8
IV.5.2.Résultats d’EC/Fenton
IV.5.2.1. EC/Fenton et effet du pH en présence et absence de H2O2
IV.5.2.2. EC/Fenton et effet de la surface active de l’électrode en présence et absence de H2O2
IV.6. Résultats du traitement par couplage EC/Adsorption
IV.6.1.Couplage EC/adsorption (CAG dans le réacteur EC)
IV.6.2. Adsorption sur CAG dans le réacteur suivi par EC
IV.6.3. Adsorption Batch sur CAG suivi par EC
IV.6.4. EC suivi par adsorption en batch sur CAG
IV.6.5. EC suivi par adsorption en dynamique sur CAG
IV.6.6. Mécanismes
IV.6.7. Cout opérationnel du couplage EC/ adsorption sur CAG
Références bibliographiques
Conclusion générale