Les défis de la réutilisation de l’eau

De plus en plus d’entreprises souhaitent réutiliser leur eau et récupérer des composants utiles qui sont encore présents dans leurs eaux résiduaires. Parallèlement, les normes de rejets des eaux usées sont de plus en plus strictes. C’est ce qu’affirme le Professeur Gijs Du Laing (UGent), expert en chimie et technologie environnementale, à propos des oligoéléments utiles et dangereux. C’est pourquoi l’UGent développe actuellement diverses techniques hybrides innovantes pour pouvoir éliminer de manière encore plus efficace, plus sélective et plus rapide des oligoéléments contenus dans les eaux résiduaires.

« Nous sommes confrontés à une évolution vers des valeurs limites d’émissions et des normes de qualité environnementale de plus en plus strictes pour les oligoéléments toxiques », dit le Professeur Gijs Du Laing. « Lors d’un rejet d’eaux résiduaires, il faut pour ces éléments atteindre des concentrations de plus en plus faibles au niveau du µg/l (microgramme par litre), voire même au niveau sub µg/l (submicrogramme par litre). » Si l’on peut décomposer des composants organiques, cela ne s’applique pas en revanche à un oligoélément comme le cobalt, le chrome ou l’arsenic. « Dans un cycle, il reste donc toujours des oligoéléments. Il peut dès lors être important d’extraire les derniers oligoéléments de l’eau si l’on envisage de réutiliser cette eau. Autrement, des traces d’éléments toxiques peuvent au fil du temps s’accumuler jusqu’à un niveau qui n’est plus acceptable. S’il subsiste dans votre eau une très faible concentration d’une substance toxique et non dégradable, vous serez limité dans l’étendue des possibilités de réutilisation de cette eau pour certaines applications.

Assainissement classique

Face aux faibles concentrations visées, il arrive souvent que ces techniques d’assainissement classiques ne suffisent pas, voire même qu’elles soient tout simplement inefficaces. « Avec des eaux résiduaires industrielles complexes, la technologie standard s’ajoute aux problèmes pour en extraire correctement les très faibles concentrations », dit Gijs Du Laing. « L’assainissement classique de l’eau, qui est conçu pour pouvoir déverser dans des eaux de surface, n’est en réalité pas en mesure de traiter ces faibles concentrations visées. En outre, les techniques classiques ne parviennent pas à éliminer des formes plus exotiques de pollution et à respecter les normes strictes. » Par exemple, le cobalt est difficile à éliminer des eaux résiduaires avec des techniques classiques d’assainissement de l’eau. « Le cobalt se présente souvent dans des eaux résiduaires industrielles sous une forme complexe qui se comporte différemment d’un ion libre en solution », dit Du Laing. « Le cobalt pose dès lors beaucoup de problèmes avec le dépassement des normes de qualité environnementale dans les eaux de surface. »

Concurrence

Les installations d’épuration classiques ont également du mal à traiter des matrices complexes, contenant de nombreux composants qui entrent en concurrence avec le contaminant. « Il se développe souvent une concurrence entre les oligoéléments dans votre eau résiduaire ou votre eau de process pour l’élimination au moyen par exemple d’une résine échangeuse d’ions et de composants de la matrice », dit Du Laing. « Ainsi est-il pratiquement impossible d’éliminer le sélénium jusqu’à de très faibles concentrations en présence de hautes concentrations de sulfate, par exemple dans des eaux résiduaires de processus de désulfuration de gaz de fumée. Mais si le sélénate peut d’abord être réduit chimiquement en sélénite ou éventuellement en sélénium élémentaire, il peut alors être éliminé par sorption en présence d’une grande quantité de sulfate. »

Déterminer la forme

Selon le professeur, il est donc crucial de vérifier sous quelle forme les oligoéléments se présentent. Ce n’est qu’à partir de là qu’on peut les éliminer efficacement. « Il est important de vérifier par modélisation sous quelles formes les oligoéléments se présentent, au lieu de regarder les concentrations totales », dit Gijs Du Laing. « La forme détermine largement le comportement des éléments dans les eaux résiduaires. » Dans le laboratoire de l’UGent, on mise beaucoup sur l’analyse et la modélisation de la spéciation. « Dans l’analyse de la spéciation, nous déterminons la forme sous laquelle des oligoéléments se présentent dans les échantillons d’eaux résiduaires et d’eaux de process industrielles selon une approche analytique », dit Du Laing. « Ce n’est pas toujours aussi simple parce que certains éléments peuvent se présenter sous un grand nombre de formes et à l’heure actuelle, on est encore loin de pouvoir les déterminer toutes de façon analytique. La forme sous laquelle des éléments se présentent peut aussi changer entre l’échantillonnage et l’analyse. »

Prévoir

L’UGent recourt dès lors aussi à la modélisation de la spéciation. « Par cette approche, nous allons à partir de modèles chimiques informatisés prévoir les formes sous lesquelles des oligoéléments se présentent », dit Du Laing. « Nous faisons cela sur la base de teneurs totales mesurées de ces éléments et de la composition de la matrice, notamment les concentrations d’anions, de cations, de matières organiques, le taux d’acidité et le potentiel redox. Le modèle calcule ensuite sous quelle forme les éléments devraient être présents dans l’eau. Cette forme va notamment déterminer la technologie permettant d’éliminer au mieux un élément donné et quels composants peuvent entrer en concurrence avec le contaminant dans la technologie d’élimination. Ainsi, nous pourrons éliminer les oligoéléments dans d’autres circonstances. »

Plusieurs formes

Parfois, on a aussi besoin de techniques capables d’éliminer plusieurs formes d’oligoéléments en même temps, par exemple l’arsénate et l’arsénite. « C’est nécessaire parce que la spéciation peut changer suite à des fluctuations de la composition des eaux résiduaires », dit Du Laing. « Lorsqu’on utilise des modèles de spéciation, on peut en outre jouer sur des paramètres, par exemple le taux d’acidité. Ainsi pouvons-nous déterminer quelle influence une modification des conditions peut avoir sur la forme des oligoéléments. Nous pouvons alors comprendre pourquoi une certaine technique ne fonctionne plus dans une certaine circonstance et comment nous pouvons influencer la forme et donc optimiser l’élimination en modifiant les paramètres du processus. »

Nouveaux enseignements

Cette recherche doit apporter à l’UGent de nouveaux enseignements sur le potentiel d’élimination de différentes technologies, comme par exemple les résines échangeuses d’ions et les adsorbants. Actuellement, il faut souvent suivre différentes étapes pour éliminer des oligoéléments, surtout dans des eaux résiduaires complexes. Selon le professeur, ces transformations devraient idéalement se dérouler en une seule étape. « C’est pourquoi nous réalisons en laboratoire de nombreuses recherches sur des matériaux hybrides et intelligents qui d’une part peuvent effectuer la transformation chimique souhaitée mais qui d’autre part peuvent aussi adsorber le produit de réaction », dit Gijs Du Laing. « Nous collaborons avec des entreprises pour développer de tels matériaux hybrides. Ces matériaux doivent également être aussi poreux que possible, avoir une capacité de sorption maximale et ne pas arriver trop vite à saturation. »

Diversité de formes

Ces matériaux hybrides peuvent éliminer simultanément différents éléments et différentes formes d’un même élément, jusqu’à de très faibles concentrations. « Les composants sont éliminés en une seule étape », dit Du Laing. « C’est intéressant quand les eaux résiduaires contiennent une diversité de composants et de formes. Je pense en premier lieu à l’arsenic, qui est un cas difficile. L’arsenic peut se présenter sous forme d’arsénite ou d’arsénate. Normalement, l’arsénite doit d’abord être oxydé avant de pouvoir être piégé par des matériaux filtrants. Avec nos matériaux, les deux formes d’arsenic peuvent être éliminées efficacement en une seule étape, avec également une haute capacité de sorption et un besoin aussi réduit que possible de régénération des matériaux. »

Uniformisation des expériences

Quand un élément donné ne peut que difficilement être éliminé avec des matériaux filtrants standard, il peut alors être soumis à une série normalisée d’expériences pour définir quels matériaux doivent être utilisés et dans quelles circonstances cela peut se faire au mieux pour éliminer l’élément. Le Professeur Du Laing plaide en faveur de l’uniformisation de ces expériences. « Pour l’élimination de l’arsenic par exemple, des milliers d’adsorbants ont déjà fait l’objet d’essais et de rapports publiés dans la littérature scientifique. Ces essais se déroulaient presque toujours dans des conditions différentes, avec notamment des solutions d’essai différentes, des doses différentes, des temps de contact différents, des températures différentes, etc. Ceci ne facilite pas la comparaison de l’efficacité de matériaux différents et cela complique largement la mise au point de processus hybrides utilisant une combinaison astucieuse de matériaux et de technologies. »

Expériences

Dans son groupe de recherche, le Professeur Du Laing essaie donc aussi de contribuer au développement d’une approche uniforme et normalisée pour les expériences de sorption et de lixiviation. « Nous utilisons un large éventail de matériels et de conditions d’essai, en faisant aussi attention à l’automatisation de ces expériences. Cela doit nous permettre d’aboutir plus rapidement et plus efficacement à une solution technique basée sur la sorption ou la lixiviation sélective pour des problèmes concrets. Il s’agit de problèmes concernant l’élimination et la récupération d’oligoéléments à partir de flux liquides résiduaires ou de process spécifiques dont il est actuellement difficile d’éliminer les oligoéléments. Nous cherchons toujours à atteindre une élimination à un niveau (sub) µg/l. Ainsi essayons-nous d’anticiper un éventuel renforcement des normes dans les années à venir et donc d’avoir un temps d’avance sur la réalité. »

Concertation avec des partenaires industriels

L’UGent souhaite aussi faire en sorte que les expériences puissent être réalisées dans de bonnes conditions. « Le problème, c’est qu’à l’heure actuelle, dans la phase initiale du développement de nouveaux matériaux ou technologies, on ne réfléchit souvent pas assez au prix de revient, à l’applicabilité pratique et au potentiel d’évolutivité de la technologie », dit Gijs Du Laing. « De ce fait, bon nombre de matériaux et de technologies ne vont pas au-delà des expériences par lots dans les laboratoires et les publications scientifiques. Quand on consulte la littérature, on trouve à propos des adsorbants des tas de publications et de nouveaux matériaux mis au point. Mais finalement, ils s’avèrent trop coûteux ou ils connaissent des problèmes d’évolutivité. De ce fait, ces matériaux ne sont finalement pas commercialisés et de nombreux crédits de recherche finissent par être perdus... Pour valoriser efficacement les technologies développées, il est indispensable de prévoir dans une phase initiale du développement une concertation avec des partenaires industriels, aussi bien des solutionneurs de problèmes et des utilisateurs futurs que des fournisseurs de technologies. »

Cas intéressants

L’UGent souhaite dès lors réunir toutes les parties concernées à un stade préliminaire. « Il est intéressant de se rencontrer à un stade précoce avec des producteurs et des utilisateurs pour éviter de mener des recherches scientifiques n’aboutissant à rien. Dans la phase préliminaire du développement, on omet souvent de penser à l’applicabilité pratique ultérieure, au prix de revient. Nous voulons éviter cela avec la mise en place de la plateforme CAPTURE. » Dans ce projet, l’UGent travaille en très étroite collaboration avec des entreprises de divers secteurs qui sont intéressées par la réutilisation de l’eau ou la récupération de matières premières à partir des eaux résiduaires ou de process. « Nous sommes toujours intéressés par des eaux résiduaires problématiques dont certains éléments ne peuvent pas être éliminés », dit Gijs Du Laing. « Nous avons besoin de ce genre de cas pour mieux développer cette nouvelle méthodologie. Et pour pouvoir aussi valider ce que nous développons. Quoi qu’il en soit, cela reste une piste intéressante non seulement pour éliminer des éléments toxiques dans les eaux résiduaires en perspective de leur déversement, mais aussi pour éliminer les oligoéléments de ces eaux en prévision de la réutilisation de l’eau assainie dans un circuit fermé. Et si les éléments en question sont également suffisamment précieux, nous pourrons également les récupérer. »

www.capture-resources.be

« S’il subsiste dans votre eau une très faible concentration d’une substance toxique et non dégradable, vous serez limité dans l’étendue des possibilités de réutilisation de cette eau. »

Gijs Du Laing.

Les techniques classiques ne parviennent pas encore à éliminer des formes exotiques de pollution dans des eaux résiduaires complexes et à respecter les normes de rejets strictes. »

Gijs Du Laing.

« La forme détermine largement le comportement des oligoéléments dans les eaux résiduaires. »

Gijs Du Laing.