Méthodes de traitement physico-chimique des eaux usées de goudron

Le goudron de houille est l'un des produits importants de l'industrie du coke. Sa composition est extrêmement complexe. Dans la plupart des cas, il est séparé, purifié puis utilisé par l'industrie du goudron de houille.

　　Le raffinage du goudron de houille permet d'obtenir divers produits chimiques, mais le processus de traitement du goudron de houille génère une grande quantité d'eaux usées toxiques.Ce type d'eaux usées contient des substances hautement toxiques telles que des composés organiques à haute concentration et du cyanure. Elles sont très toxiques et complexes. Les polluants organiques sont principalement des composés aromatiques monocycliques ou polycycliques, ainsi que des composés hétérocycliques contenant de l'azote, du soufre et de l'oxygène, tels que des concentrations élevées de phénol, de naphtalène, d'aniline, de pyridine, de quinoléine, de benzo[a]pyrène, etc. Les composés phénoliques sont toxiques pour tous les organismes et peuvent rendre les cellules inertes et coaguler les protéines ; les hydrocarbures aromatiques polycycliques peuvent provoquer le cancer chez l'homme et sont généralement difficiles à biodégrader.

Actuellement, la recherche sur le traitement des eaux usées de cokéfaction est intensive en Chine et dans le monde entier, mais peu de personnes ont étudié en profondeur les eaux usées du goudron de houille. Les eaux usées de traitement du goudron de houille présentent à la fois des similitudes et des différences avec les eaux usées de cokéfaction traditionnelles, c'est-à-dire les eaux usées phénoliques et cyanurées. En plus de contenir des concentrations élevées de cyanure et d'azote ammoniacal, les eaux usées de traitement du goudron de houille contiennent des phénols volatils, de l'indole, du benzo[a]pyrène, du naphtalène, de l'indène, des huiles, etc., en quantités beaucoup plus importantes que les eaux usées de cokéfaction traditionnelles.

Compte tenu des caractéristiques du procédé de production du goudron, les eaux usées du goudron de houille proviennent principalement de : ① l'eau de séparation par décantation du goudron dans le grand réservoir de goudron, qui est collectée séparément ; ② l'eau de séparation des évaporateurs de première et deuxième étapes du goudron, et l'eau de séparation du séparateur d'huile et d'eau de naphtalène industriel ; ③ l'eau de séparation du grand réservoir de goudron et les eaux usées de divers séparateurs de traitement du goudron envoyées au réservoir d'eaux usées de l'entreprise ; ④ les eaux usées de lavage et de décomposition du NaSO4 et les eaux usées de l'unité de phénol raffiné. La concentration de phénols volatils dans les eaux usées de phénol raffiné à haute concentration est de 3 % à 10 %. Elles sont renvoyées au réservoir de lavage, de décomposition et d'alcalinisation pour récupérer les phénols volatils, tandis que les eaux usées de lavage et de décomposition sont stockées et traitées séparément ; ⑤ les eaux usées générées par le nettoyage des canalisations, les eaux usées de surface, les eaux usées domestiques, etc. Actuellement, la plupart des eaux usées de goudron en Chine ne sont pas traitées de manière approfondie, ce qui entraîne une grave pollution de l'environnement aquatique et menace également la santé humaine.

Les méthodes de traitement des eaux usées de goudron sont globalement similaires à celles des eaux usées de cokéfaction. Après un prétraitement général et un traitement secondaire de dénitrification biologique, il est très difficile d'atteindre les normes pour les indicateurs finaux tels que la DCO et l'azote ammoniacal. Cet article passe en revue les méthodes de traitement des eaux usées de goudron nationales et étrangères ces dernières années, analyse les problèmes existants et propose les tendances de développement des technologies de traitement des eaux usées de goudron.

1 État actuel du traitement des matières organiques difficiles à biodégrader dans les eaux usées de goudron

1.1 Méthodes de traitement physico-chimique

1.1.1 Coagulation

La clé de la coagulation réside dans le coagulant. Les coagulants courants comprennent les sels d'aluminium, les sels de fer, le polyaluminium, etc. Yan Jiabao et al. ont préparé un nouveau coagulant, le polysilicate de fer et d'aluminium, à partir de silicate de sodium et de sulfate de fer, et ont étudié l'effet de facteurs tels que le rapport molaire Fe/Si, le pH et la dose sur l'efficacité de coagulation du polysilicate de fer et d'aluminium. Ils ont constaté que lorsque le rapport n(Fe)∶n(Si) était de 1,00∶1,00, le pH de l'échantillon d'eau était de 6,52 et la dose était de 20 mg/L, le taux d'élimination de l'huile atteignait 90,2 % et le taux d'élimination de la DCO était d'environ 62,5 %. Ce floculant présente des performances exceptionnelles car du silicate actif a été ajouté pendant le processus de préparation, ce qui a amélioré la structure morphologique du polymère. Le développement de nouveaux coagulants à faible coût et à haute efficacité est propice au traitement efficace des eaux usées. L'étude des performances du polysilicate de fer et d'aluminium à travers ces trois facteurs est encore insuffisante, par exemple, d'autres facteurs tels que la température devraient également être pris en compte.

　　1.1.2 Méthode d'oxydation supercritique

　　La technologie d'oxydation par eau supercritique (SCWO) est une nouvelle technologie d'oxydation proposée au milieu des années 1980 qui peut détruire complètement la structure des matières organiques. Il s'agit d'une réaction d'oxydation où l'eau est chauffée et pressurisée à l'état supercritique (Tc ≥ 374,3 ℃, Pc ≥ 22,1 MPa) avec ajout d'oxygène. Dans cet état, la solubilité des matières organiques dans l'eau augmente considérablement, leur permettant d'entrer en contact et de réagir pleinement avec l'oxydant. Presque toutes les matières organiques peuvent être oxydées et décomposées en CO2 et H2O, avec une très haute efficacité de décomposition.

　　Quan Kui et al. ont traité des eaux usées de goudron riches en phénols à l'aide d'un appareil d'oxydation par eau supercritique discontinu, dans des conditions de réaction optimales de température de 420 ℃, de pression de 25 MPa, de temps de réaction de 30 min et d'un oxydant de peroxyde d'hydrogène 2 fois supérieur. Le taux d'élimination du COD a atteint 99,1 %, la concentration de COD dans l'effluent étant de 152 mg/L. À l'exception de l'azote ammoniacal, l'effluent a pratiquement atteint la norme de rejet de niveau II du pays. La quantité d'oxydant ajoutée est cruciale pour le déroulement de cette réaction ; trop ou trop peu affectera la qualité de l'effluent. Cette méthode est très efficace pour le traitement des eaux usées organiques à forte concentration, et il est recommandé d'augmenter l'application industrielle des appareils supercritiques.

　　1.1.3 Méthode à l'ozone

　　L'ozone possède une très forte oxydabilité et peut réagir rapidement avec la majorité des matières organiques et des micro-organismes dans les eaux usées. Il peut éliminer les phénols et les cyanures des eaux usées, réduire le COD des eaux usées, tout en ayant des effets de décoloration, de désodorisation et de désinfection.

　　Chang et al. ont traité des eaux usées par la méthode à l'ozone. La couleur et le thiocyanate ont été presque complètement éliminés. Lorsque le taux de consommation d'ozone a été réduit à 0,2, le taux d'élimination du TOC a augmenté à 30 %, ce qui indique que les polluants facilement biodégradables ont été presque complètement dégradés. Cependant, en raison des inconvénients tels que les investissements élevés et la forte consommation d'électricité, cette méthode est généralement utilisée pour le traitement en profondeur des eaux usées.

　　1.1.4 Méthode par ultrasons

　　La recherche sur les ultrasons en chimie a débuté en 1927, lorsque Richards et Loomis ont découvert que les ultrasons pouvaient accélérer les réactions conventionnelles ainsi que les réactions d'oxydoréduction. Ces dernières années, les ultrasons ont été utilisés pour résoudre les problèmes liés à la pollution de l'eau, en particulier pour éliminer les matières organiques toxiques et difficiles à dégrader dans les eaux usées.

　　Ning et al. ont mené des expériences comparatives : un groupe avec des boues activées seules, et un autre groupe avec des boues activées traitées par ultrasons. Après traitement des eaux usées par les deux groupes pendant 240 minutes, le taux d'élimination du COD du second groupe est passé de 48,29 % à 80,54 %.

　　1.1.5 Méthode d'oxydation Fenton

　　La réaction de Fenton traditionnelle produit des radicaux hydroxyles hautement réactifs par le peroxyde d'hydrogène et des sels de fer ferreux dans des conditions acides, et ces radicaux peuvent oxyder les composés organiques. Cependant, la méthode de Fenton traditionnelle produit du Fe3+, ce qui pose des problèmes de boues gênants. Ces dernières années, diverses recherches ont été menées pour améliorer le processus d'oxydation de Fenton traditionnel.

　　Chu et al. ont utilisé une méthode d'oxydation de Fenton améliorée, en remplaçant spécifiquement les sels de fer ferreux par de la poudre de fer pour former un nouveau réactif de Fenton avec le peroxyde d'hydrogène. Les expériences ont montré qu'aucun Fe3+ n'était produit, et qu'à un pH de 6,5 et une concentration de peroxyde d'hydrogène de 0,3 mol/L, après 1 heure de réaction, le taux d'élimination du COD atteignait 44 % à 50 %, et le taux d'élimination du phénol total approchait 95 %. La plupart des matières organiques, y compris le bicyclofurane, la quinoléine, le résorcinol et le furénol, ont été complètement éliminées. La méthode du réactif de Fenton a un grand potentiel dans le traitement des eaux usées toxiques, nocives et difficiles à biodégrader, telles que les eaux usées de goudron, mais cette méthode a un coût de traitement élevé et ne convient qu'au traitement des eaux usées à faible concentration et en petite quantité.

　　1.1.6 Méthode au dioxyde de chlore

　　Le dioxyde de chlore possède une forte réactivité et une grande capacité d'oxydation, et peut réagir avec de nombreux composés organiques dans des conditions de traitement de l'eau. Le dioxyde de chlore réagit avec les composés phénoliques, les hydrocarbures aromatiques polycycliques tels que l'anthracène, le phénanthrène, le benz(a)anthracène et le benzo(a)pyrène, les composés organosulfurés (tels que le méthanethiol, les sulfures et les disulfures) dans des conditions de traitement de l'eau ou dans des conditions spécifiques. Le dioxyde de chlore ne réagit pas avec les hydrocarbures aliphatiques et aromatiques, les acides carboxyliques RCOOH (où R est un groupe alkyle saturé), les alcools, certains acides carboxyliques insaturés, les composés hétérocycliques azotés et les pesticides organochlorés, etc.

　　Zuo Jinlong a étudié l'effet d'élimination du dioxyde de chlore sur les eaux usées contenant du goudron de houille en prenant comme objet un projet d'ingénierie réel d'une usine. Les résultats ont montré que lors du traitement d'un échantillon d'eau de goudron de houille avec une concentration massique de 0,845 mg/L, à un pH de 7, une température de 45 °C et un temps de réaction de 1 h, le taux d'élimination maximal du goudron de houille était de 42 %. Cela indique que le goudron de houille contient une grande quantité de substances difficiles à dégrader, en particulier les composants d'asphalte. Le traitement des eaux usées contenant du goudron de houille nécessite des recherches plus approfondies.

　　1.1.7 Méthode d'incinération

　　Yang Yuanlin et al. ont étudié le traitement des eaux usées par incinération et ont estimé que le procédé d'incinération est une méthode de traitement réalisable pour les eaux usées à haute concentration produites par les usines de cokéfaction et les usines de gaz, particulièrement adapté aux régions froides du nord. De plus, le procédé d'incinération peut produire de la vapeur pour la production et la vie, ce qui peut réduire considérablement les coûts d'exploitation. Bien que l'efficacité d'incinération soit élevée et qu'il n'y ait pas de pollution secondaire, son coût de traitement est élevé. Il est plus largement utilisé à l'étranger et rarement utilisé en Chine.

　　1.1.8 Technologie de traitement par plasma

　　La recherche sur la technologie de traitement des eaux usées organiques par plasma de décharge pulsée à haute tension et nanoseconde a commencé dans les années 1990. Sous l'action de la décharge pulsée à haute tension et nanoseconde, un plasma de décharge est généré dans l'espace gazeux. Il existe une grande quantité d'électrons de haute énergie dans le plasma de décharge. Ces électrons de haute énergie agissent sur les molécules d'eau, produisant une grande quantité de groupes fortement oxydants tels que des électrons hydratés pour oxyder la matière organique dans l'eau, afin d'atteindre le but de dégrader la matière organique.

　　Jiang Bairu et al. ont utilisé le plasma de décharge pour dégrader le cyanure, l'azote ammoniacal, la DCO et d'autres matières organiques dans les eaux usées. L'azote ammoniacal et les hydrocarbures aromatiques polycycliques dans les eaux usées ont un impact important sur l'effet d'élimination de la DCO. La concentration de DCO présente une tendance de diminution, d'augmentation, de diminution, d'augmentation, de diminution. L'effet d'élimination du cyanure et de l'azote ammoniacal est meilleur. Des décharges multiples peuvent réduire l'inhibition du cyanure et de l'azote ammoniacal sur les organismes dans le processus de traitement biologique et améliorer la biodégradabilité. Cependant, le coût de cet appareil de traitement est élevé et il doit être développé davantage pour réduire les coûts.