Transformation de boues issues du traitement d'eau potable en produit à haute valeur ajoutée

Transforming alum sludge into value-added products for various reuse

• Auteur / Autrice : Baiming Ren
• Direction : Ange Nzihou, Yaqian Zhao
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 11/07/2019
• Etablissement(s) : Ecole nationale des Mines d'Albi-Carmaux en cotutelle avec University College Dublin
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés, de l'énergie et de l'environnement (Albi ; 2012-....) - Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés- de l'énergie et de l'environnement / RAPSODEE
• Jury : Président / Présidente : Hélène Carrère
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ange Nzihou, Yaqian Zhao, Diane Thomas, Zoubeir Lafhaj, Nathalie Lyczko
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Diane Thomas, Zoubeir Lafhaj

Mots clés

Mots clés contrôlés

Économie circulaire

Construction -- Matériaux

Gaz -- Épuration

Aluminium -- Composés

Eaux usées -- Épuration

Mots clés libres

Traitement des eaux usées

Boue d’aluminium

Purification de gaz

Mécanismes d’adsorption

Matériaux de construction

Valorisation

Économie circulaire

Wastewater treatment

Alum sludge

Gas purification

Process adsorption mechanisms

Brick manufacturing

Valorization

Circular economy

Résumé

La forte augmentation de la population mondiale entraîne une demande croissante en eau potable. La production d'eau potable est accompagnée par la génération de résidus du traitement de l'eau dont la boue d'aluminium qui est donc largement disponible mondialement. Ce travail se concentre sur l'identification des différentes voies de valorisation des boues d'aluminium afin de les réutiliser dans le domaine de l’environnement. Deux sources de boues d'aluminium, collectées en France et en Irlande, ont été étudiées dans divers domaines d’application en fonction de leurs caractéristiques. Tout d'abord, les boues d'aluminium ont été utilisées en remplacement d’une partie de l'argile dans la fabrication des briques, en incorporant différents pourcentages de boues d'aluminium et à différentes températures. Les briques résultantes ont été caractérisées et les résultats ont montré que les briques composées de boues d'aluminium et d'argile sont conformes aux « normes européennes et irlandaises » et démontrent ainsi le potentiel pour une application industrielle des boues d'aluminium dans la fabrication de briques en terre cuite irlandaises. Dans un second temps, les boues d’aluminium ont été utilisées comme adsorbant des polluants présents dans l’agriculture. Le glyphosate est un ingrédient actif dans les pesticides utilisés massivement dans l'agriculture irlandaise et représente une problématique environnementale. La boue d’aluminium et la tourbe irlandaise ont été comparées pour l’élimination du glyphosate lors de tests en pot à l’échelle laboratoire. Les résultats ont montré que la boue d’aluminium permet d’éliminer le glyphosate à plus de 99% et réduire les niveaux de DCO. Cet aspect scientifique a permis d’être dans la sélection des adsorbants possibles pour le traitement des eaux usées agricoles en Irlande. Le co-conditionnement et la déshydratation des boues de station d’épuration avec des boues d’aluminium liquides ont également été étudiés. Pour cela, le Jar test a été effectué sur des boues issues d’une station de traitement des eaux française. Les résultats ont montré que le rapport optimal de mélange des boues est de 1:1 (boues d’épuration : boues d’aluminium). Ainsi, la quantité de polymère utilisée peut être diminuée de 14 fois par rapport aux technologies actuelles. Cette approche a permis de montrer la possible valorisation des boues d’aluminium comme un moyen durable et technique permettant ainsi l’élimination des boues localement pour une même station de traitement des eaux. Une autre voie de valorisation des boues d’aluminium comme adsorbant pour la purification des gaz a été étudiée lors d’expériences d’adsorption de H2S dans un réacteur à lit fixe dans différentes conditions expérimentales. Les données expérimentales d’adsorption du H2S ont été modélisées à l'aide de modèles empiriques basés sur la cinétique des processus d'adsorption. Les résultats ont montré que les boues d'aluminium sont un adsorbant efficace pour l'élimination du H2S (capacité de 374,2 mg H2S / g solide) et que des mécanismes mis en jeu sont l'adsorption dissociative et l'oxydation. Les coefficients de transfert de masse globaux ont également été calculés et pouvant ainsi être utilisés pour la prédiction. Enfin, les gâteaux de boues d'aluminium ont été réutilisés pour la purification simultanée d’H2S et le traitement des eaux usées. Les résultats ont montré la capacité de cet adsorbant pour éliminer tout le H2S présent avec une grande efficacité d’élimination de la DCO, TN et TP. Ainsi, il a été démontré la valorisation des boues d’aluminium en tant qu’adsorbant pour une purification du H2S simultanée avec le traitement des eaux usées.

The production of drinking water always accompanied by the generation of water treatment residues (WTRs). Alum sludge is one of the WTRs, it is an easily, locally and largely available by-product worldwide. This work focuses on the identification of different ways to valorize the alum sludge for environmentally friendly reuse. Two alum sludges collected from France and Ireland have been reused in various fields as a function of their characteristics. Firstly, alum sludge was used as a partial replacement for clay in brick making, by incorporating different percentages of alum sludge and calcined at different temperatures (range from 800 to 1200 °C). The resultant bricks were tested for compression, Loss on Ignition, water absorption, appearance, etc. Results show that alum sludge-clay bricks have met the “European and Irish Standards” and demonstrated the huge industrial application potential for alum sludge in Irish clay brick manufacturing. Glyphosate is an active ingredient in pesticide which is massive employed in agriculture. Alum sludge and Irish peat were compared for glyphosate removal in pot tests, results show that alum sludge present significant glyphosate removal capacity (>99 %) and could reduce the level of Chemical Oxygen Demand (COD). It provided a scientific clue for sorbents selection when considering the agricultural wastewater treatment in Ireland and to maximize their value in practice. The co-conditioning and dewatering of sewerage sludge with liquid alum sludge was also investigated in Jar-test based on the case analysis of a water industry in France. Results show that the optimal sludge mix ratio is 1:1, the use of the alum sludge has been shown to beneficially enhance the dewaterability of the resultant mixed sludge, and highlighting a huge polymer saving (14 times less than the current technologies) and provided a sustainable and technical sludge disposal route for the local water industry. The use of alum sludge as a sorbent for gas purification was studied by H2S adsorption experiments in a fixed-bed reactor with various operating parameters. The experimental breakthrough data were modeled with empirical models based on adsorption kinetics. Results show that alum sludge is an efficient sorbent for H2S removal (capacity of 374.2 mg/g) and the mechanisms including dissociative adsorption and oxidation were proposed. Moreover, the overall mass transfer coefficients were calculated which could be used for the process scaling up. Finally, alum sludge cakes were reused in the novel aerated alum sludge constructed wetland (CW), which were designed for simultaneous H2S purification and wastewater treatment. Results show that H2S was completely removed in the six months’ trials, while the high removal efficiencies of COD, total nitrogen (TN), total phosphates (TP) were achieved. Thus, a novel eco-friendly CW for simultaneous H2S purification and wastewater treatment was developed. In the different approaches and process considered, in particular it was put in investigating and describing the mechanisms involved. Overall, this work demonstrated alum sludge could be a promising by- product for various novel beneficial reuse rather than landfilling and provided a “Circular Economy” approach for WTRs management.