Réponse rapide : Les eaux usées contenant des métaux lourds sont traitées en convertissant les métaux dissous en solides insolubles — généralement des hydroxydes en augmentant le pH avec de la chaux ou de la soude caustique, parfois des sulfures lorsque la limite est très basse — puis en décantant et en déshydratant les boues. Les boues constituent la partie coûteuse : les boues d'hydroxyde contiennent 96 à 99 % d'eau à la sortie du clarificateur, et c'est le filtre-presse qui les transforme en un gâteau que l'on peut transporter comme déchet dangereux.
Qu'est-ce qui est considéré comme des eaux usées de métaux lourds
Eaux de rinçage de galvanoplastie et de finition des métaux, gravure de cartes de circuits imprimés, lignes de décapage, fabrication et recyclage de batteries, eaux de mine et résidus miniers, effluents de tannerie (chrome) et certains flux textiles et de pigments. Les métaux que les régulateurs listent réellement constituent un ensemble restreint. Les règles américaines sur la finition des métaux dans 40 CFR Part 433 réglementent cadmium, chrome, cuivre, plomb, nickel, argent, zinc et cyanure, plus les composés organiques toxiques totaux, les huiles et graisses, les MES et le pH.
Les limites sont strictes. En vertu de la partie 433, le maximum journalier pour le chrome total est de 2,77 mg/L et la moyenne mensuelle de 1,71 mg/L ; cuivre 3,38 / 2,07 ; nickel 3,98 / 2,38 ; zinc 2,61 / 1,48 ; plomb 0,69 / 0,43 ; cadmium 0,69 / 0,26 ; argent 0,43 / 0,24 ; cyanure 1,20 / 0,65. Les nouvelles sources sont soumises à une limite de cadmium de 0,11 / 0,07 mg/L. L'eau de rinçage d'une ligne de galvanoplastie peut contenir des dizaines à des centaines de mg/L de métal, de sorte que l'élimination doit être supérieure à 99 % dans de nombreux cas.
Étape 1 : prétraiter les flux qui rompent la précipitation
Deux flux doivent être traités avant toute autre chose, et leur mélange dans le flux principal est la raison la plus courante pour laquelle une station de traitement échoue à son permis.
- Chrome hexavalent ne précipite pas sous forme d'hydroxyde. Il doit d'abord être réduit en chrome trivalent, généralement avec du métabisulfite de sodium à faible pH, et ce n'est qu'ensuite qu'il peut être précipité sous forme de Cr(OH)₃ avec les autres métaux.
- Cyanure Les bains de cyanuration sont détruits séparément par chloration alcaline avant que le flux ne rejoigne le traitement des métaux. La réglementation est explicite : la surveillance du cyanure est effectuée après le traitement du cyanure et avant la dilution avec d'autres flux.
- Agents chélatants (L'EDTA, le citrate, l'ammoniaque provenant du nickelage chimique ou du zincage alcalin) maintiennent les métaux en solution et empêchent la précipitation des hydroxydes. Les effluents qui en contiennent sont séparés et soit traités séparément, soit dosés avec un précipitant plus fort.
Étape 2 : précipitation — hydroxyde, sulfure ou les deux
Précipitation d'hydroxyde
Élever le pH avec de la chaux hydratée, de la soude caustique ou de l'hydroxyde de magnésium et les métaux précipitent sous forme d'hydroxydes. En dessous de pH 6, très peu de précipitation se produit ; le pH optimal dépend du métal et du contre-ion présents, et chaque métal atteint sa solubilité minimale à un pH différent, de sorte qu'un flux mixte est normalement décanté à un pH de compromis, puis, si un métal unique dépasse encore la limite, poli à un second pH.
Le manuel des précipitations du Corps des ingénieurs de l'armée américaine (EM 1110-1-4012) indique que la précipitation des hydroxydes peut ramener le chrome, le nickel, le cadmium, le cuivre et le zinc en dessous de 1,0 mg/L, mais note que le plomb, le manganèse et l'argent peuvent ne pas être traités de manière adéquate par ce procédé. La chaux est la moins chère mais produit le plus de boues : la fiche d'information de l'EPA sur la précipitation chimique avertit que la chaux peut augmenter le volume de boues de déchets jusqu'à 50 pour cent par rapport à la soude caustique.
Précipitation des sulfures
Les sulfures métalliques sont bien moins solubles que les hydroxydes. Le même manuel de l’USACE tabule les solubilités théoriques dans l’eau pure : hydroxyde de cuivre 2,2×10⁻² mg/L contre sulfure de cuivre 5,8×10⁻¹⁸ mg/L ; zinc 1,1 contre 2,3×10⁻⁷ ; plomb 2,1 contre 3,8×10⁻⁹ ; cadmium 2,3×10⁻⁵ contre 6,7×10⁻¹⁰. Les réactions des sulfures se produisent à un pH proche de la neutralité (7–9), et les boues de sulfure seraient environ trois fois moins susceptibles de lixivier à pH 5 que les boues d’hydroxyde.
Le prix est à traiter. Le sulfure de sodium et le gaz sulfure d'hydrogène sont dangereux, l'excès de sulfure doit être éliminé de l'effluent, et le précipité est fin et lent à décanter. Le compromis habituel consiste en une précipitation par hydroxyde comme étape principale, avec une petite étape de polissage au sulfure uniquement pour le métal qui, autrement, ne respecterait pas sa limite — généralement le plomb, le cadmium ou l'argent.
Coagulation et décantation
Les flocs d'hydroxyde fraîchement formés sont petits. Du chlorure ferrique ou un polymère est dosé pour les agglomérer en flocs décantables, et l'eau passe dans un clarificateur, un décanteur lamellaire ou une unité de flottation à air dissous (DAF). Le soutirage inférieur du clarificateur constitue les boues : typiquement 1 à 4 % de matières solides et, selon les termes du manuel de l'USACE, 96 à 99 pour cent d'eau.
Étape 3 : les boues — le facteur de coût
Les boues d'hydroxyde métallique sont généralement un déchet dangereux répertorié (aux États-Unis, F006 pour les boues de galvanoplastie), elles sont donc éliminées au poids à des tarifs de déchets dangereux. Chaque tonne d'eau transportée avec les solides représente une perte d'argent. La déshydratation n'est donc pas une réflexion après coup ; elle détermine le coût d'exploitation de toute l'usine.
Le manuel de l'USACE fournit des résultats mesurés de filtre-presse à plateaux et cadres pour les boues d'hydroxyde selon le précipitant :
| Précipitant | Solides de gâteau | Temps de filtration | Densité des boues | Volume de boues par tonne de solides secs |
|---|---|---|---|---|
| Soude caustique (NaOH) | 30% | 7–8 h | 1 300 kg/m³ | 5,0 m³ |
| Chaux hydratée (Ca(OH)₂) | 35% | 7–9 h | 1 400 kg/m³ | 4,2 m³ |
| L'hydroxyde de magnésium (Mg(OH)₂) | 55% | 1,5–2,0 h | 1 600–1 750 kg/m³ | 2,2 m³ |
Deux points ressortent. Premièrement, le précipitant choisi en amont modifie davantage le résultat de la presse à filtre que la presse elle-même : les boues d'hydroxyde de magnésium se filtrent quatre fois plus vite et produisent moins de la moitié du volume, pour un coût de réactif environ trois fois supérieur à celui de la chaux. Deuxièmement, même les boues caustiques atteignent 30 % de solides dans une presse à filtre, ce qu'une presse à bande ou une centrifugeuse parvient rarement à faire sur un floc d'hydroxyde gélatineux.
Dimensionnement du filtre-presse pour les boues d'hydroxyde métallique
Partez des solides secs par jour, et non du débit. Une ligne de galvanoplastie produisant 100 kg d’hydroxyde métallique sec par jour à 35 % de solides de gâteau donne environ 285 kg de gâteau, soit environ 0,2 m³ à 1 400 kg/m³. Cela représente un ou deux cycles par jour sur un petit filtre-presse à chambres. Points importants pour cette boue en particulier :
- Le temps de cycle est long. Les temps de filtration de 7 à 9 heures indiqués dans le tableau sont réels ; le floc d'hydroxyde est compressible et colmate le tissu. Dimensionnez pour un cycle par poste plutôt que plusieurs.
- La compression de la membrane aide. A filtre-presse à membrane peut raccourcir le cycle et augmenter le taux de solides du gâteau de quelques points, ce qui est rapidement rentabilisé lorsque l'élimination est facturée à la tonne de déchets dangereux.
- Choix du tissu. Le polypropylène monofilament avec une surface calandrée libère proprement le gâteau d'hydroxyde et résiste aux fines qui colmatent le tissu multifilament. Voir Dimensionnement de la presse à filtre pour les eaux usées de galvanoplastie pour la sélection des tissus et des plaques.
- Matériaux. Les plaques et tissus en polypropylène supportent la variation de pH du prétraitement acide à la précipitation alcaline sans corrosion ; la pompe d'alimentation doit être une pompe à membrane à commande pneumatique ou une pompe à vis en construction résistante à la corrosion.
- Le filtrat retourne. Le filtrat du filtre-presse entraîne des fines et du métal dissous au pH de précipitation ; renvoyez-le à l'entrée du clarificateur, jamais directement au rejet.
Que faut-il envoyer pour une proposition de traitement et de déshydratation
Une demande utile contient : le procédé (type de placage, gravure, batterie, eau de mine), le débit journalier, l'analyse du flux brut (chaque métal, cyanure, pH, chélateurs s'il y en a), les limites de rejet à respecter, et le mode d'élimination des boues. À partir de là, nous pouvons dimensionner l'étape de précipitation, estimer les solides secs par jour et sélectionner la presse, le tissu et la pompe. Si vous avez déjà des boues, envoyez un échantillon : un test de filtration nous indique le temps de cycle et la siccité du gâteau avant tout devis.
Connexe : quelle quantité de boues une station d'épuration produit-elle, Élimination de l'azote ammoniacal, et Équipement de traitement des eaux usées industrielles.
Questions fréquemment posées
Quel pH est utilisé pour précipiter les métaux lourds ?
La précipitation des hydroxydes s'effectue en milieu alcalin, généralement entre pH 8 et 11 selon le mélange de métaux ; en dessous de pH 6, presque rien ne précipite. Chaque métal a son propre pH de solubilité minimale, de sorte que les flux mélangés sont décantés à un pH de compromis et qu'un métal récalcitrant est affiné à un second pH ou avec du sulfure.
Pourquoi le chrome hexavalent est-il traité séparément ?
Parce que le Cr(VI) reste en solution à tout pH. Il doit d'abord être réduit en Cr(III), généralement avec du métabisulfite de sodium en milieu acide, et c'est seulement ensuite qu'il précipitera sous forme d'hydroxyde de chrome avec les autres métaux.
La précipitation des sulfures est-elle meilleure que celle des hydroxydes ?
Il permet d'atteindre des résidus métalliques bien plus faibles, de plusieurs ordres de grandeur en dessous de la solubilité théorique, et les boues lixivient moins. Il coûte plus cher, les réactifs sont dangereux et le précipité décante lentement, de sorte qu'il est normalement utilisé comme étape de finition pour le plomb, le cadmium ou l'argent plutôt que pour l'ensemble du flux.
À quel point les boues d'hydroxyde métallique peuvent-elles sécher dans un filtre-presse ?
Les résultats mesurés pour le filtre-presse à plateaux et cadres sont d'environ 30 % de solides pour les boues caustiques, 35 % pour les boues de chaux et 55 % pour les boues d'hydroxyde de magnésium. Une étape de pressage à membrane ajoute quelques points supplémentaires.
Les boues d'hydroxyde métallique sont-elles des déchets dangereux ?
Dans la plupart des juridictions, oui. Aux États-Unis, les boues de traitement des eaux usées issues de l'électroplastie sont classées comme déchets dangereux F006 et sont éliminées au poids, ce qui explique pourquoi la déshydratation jusqu'au taux de solides de gâteau le plus élevé possible est si importante.
Puis-je rejeter directement le filtrat du filtre-presse ?
Non. Le filtrat provenant des boues d'hydroxyde contient des fines et une certaine quantité de métal dissous au pH de précipitation. Renvoyez-le à l'entrée du clarificateur afin qu'il subisse à nouveau la décantation et la correction finale du pH.
Envoyez votre analyse d'eau brute, vos limites de débit et de rejet et nous dimensionnerons ensemble l'étape de précipitation et le filtre-presse : demander une proposition de traitement heavy metal.
Références : 40 CFR Partie 433 — Catégorie de source ponctuelle de finition des métaux (eCFR), US Army Corps of Engineers — EM 1110-1-4012, Précipitation/Coagulation/Floculation (2001), US EPA — Fiche technique sur les technologies des eaux usées : précipitation chimique (832-F-00-018).
Cet article fait partie de notre guide sur Déshydratation des boues d'eaux usées.