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UNIVERSITÉ DU QUÉBEC

THÈSE PRÉSENTÉE

L'UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À TROIS -RIVIÈRES

COMME EXIGENCE PARTIELLE

DU DOCTORAT EN GÉNIE PAPETIER

PAR

DANIEL GAGNON

"NOUVELLE APPROCHE

DE TRAITEMENT

DES EAUX USÉES PAPETIÈRES»

FÉVRIER 2000

Université du Québec à Trois-Rivières

Service de la bibliothèque

Avertissement

L'auteur de ce

mémoire ou de cette thèse a autorisé l'Université du Québec à Trois-Rivières à diffuser, à des fins non lucratives, une copie de son mémoire ou de sa thèse Cette diffusion n'entraîne pas une renonciation de la part de l'auteur à ses droits de propriété intellectuelle, incluant le droit d'auteur, sur ce mémoire ou cette thèse. Notamment, la reproduction ou la publication de la totalité ou d'une partie importante de ce mémoire ou de cette thèse requiert son autorisation.

REMERCIEMENTS

Je tiens d'abord à exprimer ma reconnaissance envers mon directeur de recherche, Dr Henri-Claude Lavallée, et mon co-directeur Dr Sylvain Robert pour leurs assistances, leurs collaborations, leurs disponibilités, leurs expertises et leurs judicieux conseils.

Je remercie également Mme Diane Dextraze pour

son assistance technique lors de l'analyse des échantillons. Mes remerciements vont également aux personnes qui ont contribué de près ou de loin à la réalisation de cette étude.

Je tiens également

à remercier le réseau des Centres d'Excellence, plus particulièrement, le Réseau sur la Gestion Durable des Forêts pour son support financier. Mes remerciements vont également aux membres du jury soient les docteurs Claude Daneault, directeur du Centre de Recherche en Pâtes et

Papiers de l'Université du Québec

à Trois-Rivières, J. Peter Jones, directeur

du département de génie chimique de l'Université de Sherbrooke et Jules Thibault, professeur au département de génie chimique de l'Université Laval. Affectueusement, je remercie Mme Micheline Dugré pour sa compréhension, sa patience, son support constant et ses nombreux encouragements qui me permirent de mener

à bien cette étude.

ii

RÉSUMÉ

Ce travail de doctorat s'inscrit dans le contexte d'une préoccupation à développer et à expliquer les fondements scientifiques d'une nouvelle approche de traitement physico-chimique des eaux usées, capable de contribuer à la réduction des divers paramètres environnementaux, à l'aide d'un polymère naturel de type protéinique, i.e., caséine.

Les principaux objectifs de ces

travaux de recherche sont l'optimisation, la modélisation et la détermination de la cinétique réactionnelle de cette technologie de traitement des eaux usées industrielles. L'idée novatrice du présent projet réside dans le fait qu'il vise à développer une méthode de traitement des eaux usées qui utilise une substance qualifiée de rejet industriel pour éliminer un autre rejet industriel. Il s'agit en fait de l'utilisation d'un polymère naturel à de nouvelles fins. L'approche expérimentale permettra à la fois de non seulement démontrer l'efficacité du traitement mais

également de modéliser et d'optimiser

le traitement. L'aspect économique de ce traitement fera également l'objet d'une évaluation. Le banc d'essai pilote utilisé est fort simple et formé de trois composantes principales, soit: un réacteur de trois litres, un pH-mètre et un agitateur magnétique sur plaque chauffante. Une trentaine de types d'eaux usées iii papetières ont été soumises à l'étude. Les eaux usées d'une usine de PCTM ont été retenues pour réaliser les essais de modélisation et d'optimisation du procédé. Les essais ont principalement été réalisés en mode discontinu.

L'étude en laboratoire visant

à déterminer la traitabilité potentielle des eaux usées papetières, au moyen du polymère protéique, comprenait principalement quatre types d'essais: des essais préliminaires, de traitabilité, de modélisation et d'optimisation. Un design expérimental Box-Wilson ou Composite Centrale (CCO) a été utilisé pour optimiser et modéliser cette méthode de traitement des eaux usées, laquelle est d'une grande simplicité d'action et de mise en oeuvre. Au cours du procédé, le réactif d'origine naturelle, ou polymère, est ajouté sous forme solide ou liquide à l'effluent; ce dernier réagit alors avec un grand nombre d'éléments polluants contenus dans divers effluents. Après dissolution, homogénéisation et ajustement du pH, il se produit rapidement une précipitation des substances polluantes et colorantes contenues dans les eaux usées soumises au traitement. La récupération du précipité peut être facilement réalisée par décantation, filtration et/ou flottation

à l'air dissous (FAO).

Les meilleures performances obtenues pour diverses eaux usées ont permis d'atteindre des réductions supérieures

à 99 % de la couleur (CA, CR), des MES

et MVES, de 99 % des AR, de 98 % des ARG, de 98 % de la teneur en azote, de 88 % de la OCO totale, de 85 % des AG, de 83 % des ST, de 82 % de la

OCO soluble, de 68 % des COHA, de 67 % de la OB0

5 totale, de 60 % des

STV, de 50

% du contenu en COT, de 45 % de la OB0 5 soluble et des réductions relatives supérieures à 100 % de la toxicité Microtox. Les résultats iv ont démontré la supériorité du traitement par comparaison aux agents chimiques ou polymères conventionnels. La production de boues chimiques lors du traitement d'une eau usée donnée est faible et fonction de la charge en polymère et du pH. Pour une efficacité donnée de traitement, la production de boues chimiques est inférieure à la production de boues biologiques, i.e., boues activées. Les boues produites présentent une bonne décantabilité et un faible indice de volume des boues. Les résultats de l'étude de la modélisation suggèrent que la concentration en polymère, le pH, la température et le temps de réaction ont un effet significatif (I.C. = 95 %) sur les performances du traitement. La concentration en polymère est généralement la variable indépendante prédominante. La complexité des modèles mathématiques est fonction de la charge "polluante» de l'eau usée et une réduction de cette charge tend ainsi à accroître la complexité des modèles. Selon les résultats de l'étude de la cinétique réactionnelle, les principaux mécanismes d'action du polymère ou du traitement sont: la formation de liens par ponts hydrogène, la formation de liaisons de type hydrophobe, l'implication d'interactions de Van der Waals et la neutralisation de charges ioniques. La précipitation isoélectrique polymère serait le principal mécanisme de précipitation impliqué dans le traitement. L'efficacité du traitement est généralement supérieure à celle des divers procédés développés ou brevetés pour le traitement des eaux usées papetières. Le domaine d'application de ce traitement est également beaucoup plus étendu que celui des divers autres procédés qui sont plus spécifiques et limités. v

TABLE DES MATIÈRES

REMERCIEMENTS ........................................................................ ......................... i RÉSUMÉ ........................................................................ ........................................ ii TABLE DES MATIÈRES ........................................................................ .......... v LISTE DES TABLEAUX ........................................................................ ....... xvii LISTE DES FIGURES ........................................................................ ........ xxviii LISTE DES SYMBOLES ET DES ABRÉVIATIONS .................................. xlii CHAPITRE 1 INTRODUCTION ............................................................ 1 CHAPITRE Il OBJECTIFS ................................................................... 7 CHAPITRE III MATÉRIEL ET MÉTHODES ...................................... 10 3.1 Montage expérimental .............................................................. 10

3.2 Eaux usées ........................................................................

........ 10

3.3 Protocole expérimental ............................................................ 11

3.4 Essais en laboratoire ................................................................ 11

3.5 Méthodes analytiques ............................................................... 12

3.6 Approche expérimentale .......................................................... 12

3.7 Cadre de l'approche expérimentale et

étapes de réalisation ................................................................. 13

3.8 Modélisation ........................................................................

...... 14

3.9 Cinétique réactionnelle ............................................................. 14

CHAPITRE IV PROCÉDÉ .................................................................... 15 4.1 Procédé ........................................................................ .............. 15

4.2 Polymère ........................................................................

............ 16 vi

4.3 Utilisation potentielle ................................................................ 19

CHAPITRE V MODÉLISATION ............................................................ 21

5.1 Approche expérimentale .......................................................... 21

5.2 Variables indépendantes .......................................................... 23

5.3 Variables dépendantes ............................................................. 25

5.4 Design CCD ........................................................................

....... 26

5.4.1 Étendue d'intérêt des données indépendantes ........... 28

5.4.2 Points factoriels .............................................................. 29

5.4.3 Résolution .......................................................................

32

5.4.4 Calcul de la valeur a ....................................................... 34

5.4.5 Arêtes ou

points axiaux ................................................. 35

5.4.6 Points centraux ............................................................... 35

5.4.7 Nombre total d'essais .................................................... 36

5.4.8 Matrice codée du design ................................................ 37

5.4.9 Matrice réelle du design ................................................. 37

5.4.9.1 Points centraux .............................................. 39

5.4.9.2 Points factoriels ............................................. 39

5.4.9.3 Sommaire ...................................................... 42

CHAPITRE VI CINÉTIQUE RÉACTIONNELLE ..................................... 46

6.1 Approche cinétique ................................................................... 46

6.1.1 Interaction polymère -polluants .................................. 47

6.1.2 Affinité du polymère ....................................................... 48

6.1.3 Liaison ou pont hydrogène ............................................ 48

6.1.4 Forces de London-van der Waals ................................ 51

6.1.5 Liaisons hydrophobes ................................................... 54

6.1.6 Coagulation -

floculation ............................................... 56

6.1.7 Nature des substances colorées ................................... 61

6.1.8 Solutions colloïdales ...................................................... 64

6.1.9 Double

couche ................................................................ 70 vii

6.1.10 Potentiel Zêta .................................................................. 73

6.2 Précipitation des protéines ..................................................... 79

6.2.1 Structure des protéines ................................................. 81

6.2.2 Solubilité des protéines ................................................ 84

6.2.3 Précipitation induite par des sels ................................. 88

6.2.4 Précipitation induite par ajout

d'un solvant organique .................................................. 92

6.2.5 Précipitation isoélectrique ............................................. 92

6.2.6 Précipitation par ajout de polymères ............................ 93

6.2.7 Précipitation par ajout d'ions métalliques .................... 93

6.2.8 Précipitation par dénaturation sélective ....................... 94

6.2.8.1 Dénaturation thermique ................................ 94

6.2.8.2 Dénaturation

par ajustement du pH ............. 94

6.2.8.3 Dénaturation par ajout

de solvant organique ..................................... 95

6.2.9 Précipitation à grande échelle ....................................... 95

6.3 Mécanismes d'action et de précipitation proposés ............... 97

6.3.1 Mécanisme d'action du polymère ................................. 97

6.3.2 Mécanisme de précipitation du polymère .................... 97

CHAPITRE VII RÉSULTATS .................................................................... 98

7.1 Caractéristiques des eaux usées ............................................ 98

7.2 Applicabilité ........................................................................

..... 100 7.3 Impacts ........................................................................ ............ 101

7.3.1 Performances ................................................................ 101

7.3.2 Production de boues .................................................... 105

7.3.2.1

Production de boues chimiques ............... 106

7.3.2.2 Indice

du volume de boues ......................... 124

7.3.3 Performances

spécifiques de chacune des étapes du procédé ................................................. 125 7.4 Performances spécifiques ...................................................... 130 viii

7.4.1 Eaux usées diverses et

premiers essais de traitabilité ..................................... 131

7.4.1.1 Eaux usées kraft: Extraction alcaline ...... 132

7.4.1.2 Eaux usées

diverses: Désencrage, kraft, PCTM ............................ 132

7.4.1.3 Sommaire

et conclusion ............................. 134

7.4.2 Eaux usées d'usines Kraft ........................................... 135

7.4.2.1 Eaux usées spécifiques ............................. 135

7.4.2.1.1 Essais en bécher ............................... 136

7.4.2.1.2 Essais préliminaires ......................... 137

7.4.2.1.2.1 Couleur .............................. 137

7.4.2.1.2.2

DCO totale ......................... 137

7.4.2.1.2.3

DCO soluble ...................... 140

7.4.2.1.2.4 Matières

solides ............... 140

7.4.2.1.3 Essais de traitabilité ......................... 142

7.4.2.1.3.1 Couleur .............................. 142

7.4.2.1.3.2 DCO totale ......................... 142

7.4.2.1.3.3 DCO

soluble ...................... 145

7.4.2.1.3.4 DBO

s totale ....................... 145

7.4.2.1.3.5 DBO

s soluble .................... 147

7.4.2.1.3.6 Matières

solides ............... 147

7.4.2.1.3.7 Boues

produites ............... 148

7.4.2.1.4 Sommaire ........................................... 152

7.4.2.2 Eaux usées générales ................................. 153

7.4.3 Eaux usées issues

d'usines de papiers fins .............. 156

7.4.4 Eaux

d'usines au sulfite ............................................... 159

7.4.4.1 Eaux usées de l'étape du lavage

de la pâte blanchie au chlore ....................... 161

7.4.5 Eaux d'usines PCTMB .................................................. 164

7.4.6 Eaux usées d'usines PTM ............................................ 166

7.4.7 Eaux usées d'usines

SC .............................................. 169 ix

7.4.8 Eaux usées d'usines PC TM ......................................... 172

7.4.8.1 Caractéristiques des

eaux usées ............... 174

7.4.8.2 Performances du procédé .......................... 174

7.4.8.3

Sommaire ..................................................... 180 7.4.9 Conclusion .................................................................... 180

7.5 Modélisation ........................................................................

.... 184 7.5.1

Importance relative des variables

indépendantes .............................................................. 185 7.5.2

Évolution temporelle des équations

de prédiction ................................................................. 187

7.5.2.1 DCO totale .................................................... 187

7.5.2.2 DCO

soluble ................................................. 190

7.5.2.3

Couleur apparente ....................................... 192

7.5.2.4

Couleur réelle ............................................... 192

7.5.2.5 Solides

totaux .............................................. 195quotesdbs_dbs19.pdfusesText_25

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