Traitement des effluents dans l'industrie de l'imprimerie et de la teinture

• 1. introduction : Effluents dans l'industrie de l'impression à l'encre.
• 1.1 Type d'effluent d'impression.
• 2. le traitement des effluents d'imprimerie.
• 2.1 Traitements physico-chimiques.
• 2.2 Traitements biologiques.
• 2.3 Élimination de l'azote ammoniacal.

1. introduction : Effluents dans l'industrie de l'impression à jet d'encre

Pratiquement toutes les industries produisant des biens consommables (emballage et conditionnement dans l'alimentation, les cosmétiques, les textiles, les produits pharmaceutiques, le papier, les plastiques et les jouets, l'embouteillage, etc.) utilisent largement des pigments et des encres, tant pour la fabrication des produits que pour leur conditionnement, et font appel à des imprimeries. Les pigments synthétiques sont généralement utilisés pour répondre à la demande industrielle de colorants, car ils offrent une grande souplesse pour modifier les caractéristiques chimiques et colorimétriques, leur processus de fabrication est très bien développé et leur coût de production est faible, mais les pigments organiques sont de plus en plus souvent incorporés.

Les effluents contenant des encres ont un profil de pollution très complexe, contenant une grande variété de composés : pigments organiques cycliques, pigments synthétiques, pigments à base de dioxyde de titane TiO2, chrome et autres métaux lourds, solvants, nitro-cellulose, glycol, résines, liants, adjuvants, dispersants, etc.

Les eaux usées résultant de l'utilisation de ces pigments dans l'encre d'imprimerie ont une couleur vive et des valeurs élevées de paramètres polluants : la matière organique, mesurée en DCO, est très élevée, généralement autour de 20.000 mg/L, le pH est plus ou moins alcalin, l'azote ammoniacal peut être élevé et les matières en suspension peuvent se situer entre 2 000 et 10 000 mg/L. Elles contiennent également des huiles, des graisses, des métaux lourds et des composés de processus (encre, solvants, résines, composés chimiques récalcitrants et toxiques, etc.)

Les effluents des imprimeries ne peuvent pas être rejetés directement dans le réseau d'égouts, car ils auraient un impact fatal sur les stations d'épuration, et ne peuvent pas être déversés dans les cours d'eau en raison de leurs effets nocifs sur l'environnement et les êtres humains.

Le procédé de traitement doit être sélectionné et conçu en fonction de la composition de l'effluent et du coût économique, tant en termes d'investissement que d'exploitation.

Le deuxième objectif du traitement est la réutilisation de l'eau pour des usages secondaires dans l'industrie, tels que le lavage des machines, des seaux ou l'arrosage des jardins.

1.1 Types d'effluents d'imprimerie

Il existe différents types d'effluents provenant des imprimeries, en fonction de la méthode d'impression ou du type d'encres utilisées, et chacun nécessite une adaptation du traitement. Les plus courants sont présentés ci-dessous.

• Impression flexographique: contient de grandes quantités de métaux lourds tels que le zinc, le plomb, le cuivre et le chrome, une couleur intense, une teneur élevée en matières en suspension, une DCO et une DBO5 élevées, de l'azote ammoniacal, la présence d'huiles et de graisses et de polymères synthétiques et organiques. Le traitement le plus couramment utilisé pour ce type d'effluent est un prétraitement avec acide et coagulation-floculation, précipitation de l'azote ammoniacal si nécessaire, suivi d'un traitement biologique MBR incluant l'ultrafiltration, et d'un polissage par membranes d'osmose inverse ou filtres multimédias à charbon actif.
• Eaux de lavage: elles peuvent être traitées efficacement par coagulation-floculation en appliquant du chlorure ferrique, qui élimine le vernis et la colle, et un floculant approprié. Le polissage doit être introduit pour éliminer complètement la couleur, généralement en appliquant des filtres à charbon actif.
• Encre usagée: effluent très polluant, contenant des encres, des gommes synthétiques, des additifs et présentant une DCO et des solides en concentrations extrêmes. Il nécessite un prétraitement par coagulation-floculation et acide, car c'est lorsque le pH est bas que le traitement est le plus efficace, tant pour les solides et la matière organique que pour la réduction de la couleur.

2. traitement des effluents d'imprimerie

Il existe différents traitements pour les effluents d'impression à base d'encre, chacun impliquant des modifications en fonction du type d'effluent expliqué ci-dessus, mais les processus principaux et efficaces sont les suivants :

(i) traitements physico-chimiques, (ii) traitements biologiques et (iii) traitements spécifiques pour l'élimination de l'azote.

2.1 Traitements physico-chimiques :

Coagulation-floculation

Le processus élimine les molécules de colorant, les colloïdes, les agrégats de solides, les particules, les solides en suspension, les matières organiques non dissoutes et d'autres composés non dissous.

Elle consiste à provoquer l'agrégation et la floculation de ces polluants non dissous afin qu'ils puissent être éliminés sous forme de flocs par des méthodes de séparation mécanique, l'une des plus efficaces étant la flottation à air dissous (DAF).

Le processus de coagulation-floculation est simple, flexible et facile à gérer.

En général, on utilise des coagulants inorganiques d'aluminium (polychlorure d'aluminium et sulfate d'aluminium) et de fer (le chlorure ferrique est le plus couramment utilisé, mais le sulfate ferreux peut également l'être) ou des coagulants organiques tels que le chitosane, qui forment tous des flocs stables. Après l'agglomération des polluants avec le coagulant, un floculant est appliqué, ce qui améliore considérablement la qualité du floc et de l'eau clarifiée. Un processus de coagulation-floculation bien conçu peut éliminer plus de 90 % de la couleur et des solides en suspension et plus de 50 % de la DCO et de la DBO5.

La coagulation-floculation est le prétraitement de choix pour les débits élevés.

Les doses et les types de coagulant et de floculant à appliquer dépendent de la nature et de la composition de l'effluent. Il est donc nécessaire d'évaluer le processus au moyen d'essais en laboratoire, communément appelés Jar-Test, et d'analyses des solides en suspension et de la DCO afin d'estimer rapidement les performances. Chez SIGMADAF, nous réalisons ces tests dans notre notre propre laboratoire.

Oxydation chimique

Dans l'oxydation chimique, on utilise des ions de fer Fe2+, du peroxyde d'hydrogène H2O2, de l'ozone, de l'hypochlorite de sodium NaClO ou d'autres agents oxydants puissants. Ces composés provoquent l'oxydation des substances réductrices présentes dans les effluents.

Lorsqu'ils sont appliqués à des effluents d'imprimerie présentant une forte concentration de couleur, les oxydants brisent les anneaux de carbone qui composent les colorants et perdent la capacité d'absorber la lumière, ce qui entraîne la perte de la couleur. Ces anneaux brisés donnent naissance à de petites molécules organiques et inorganiques, qui peuvent être éliminées par d'autres méthodes telles que la coagulation-floculation et les traitements biologiques.

L'oxydation chimique peut également être réalisée à l'aide de l'ozone, de l'électrolyse ou du procédé Fenton. L'ozone a un fort pouvoir oxydant qui permet de décomposer les colorants de poids moléculaire élevé en contaminants organiques et inorganiques de petit poids moléculaire, ce qui entraîne la perte de la capacité d'absorption de la lumière et donc l'élimination de la couleur. La méthode d'oxydation à l'ozone est rapide, ne produit pas de sous-produits, ne génère pas de boues, nécessite peu d'espace et est facile à contrôler, mais elle ne peut pas être appliquée à des flux importants car elle implique des coûts élevés et une faible efficacité d'élimination de la DCO.

Le processus d'oxydation de Fenton se déroule dans des conditions acides, la catalyse de Fe2+ avec H2O2 produit un oxydant puissant : le radical hydroxyle -OH.

Adsorption

L'eau traverse un lit d'adsorbant constitué d'un matériau poreux. Les types d'adsorbants les plus courants pour les effluents d'imprimerie sont le charbon actif, les zéolithes, les argiles et les cendres. Les colorants et autres polluants résiduels adhèrent à la surface du produit adsorbant par attraction moléculaire.

L'adsorption fonctionne bien pour les effluents faiblement colorés ou comme traitement de polissage pour éliminer la couleur résiduelle après le prétraitement et le traitement biologique. Elle ne génère pas de boues, son coût d'investissement est faible et elle est facile à mettre en œuvre. L'efficacité du traitement par adsorption est affectée par la température, le pH et le temps d'adsorption, et le matériau adsorbant doit être changé de temps en temps, lorsqu'il atteint sa limite de saturation.

De tous les matériaux adsorbants, le charbon actif et les zéolithes se sont révélés les plus efficaces pour éliminer la couleur et d'autres contaminants récalcitrants ou difficiles.

Filtration sur membrane

Il a été démontré que les membranes d'ultrafiltration retiennent les contaminants des effluents d'imprimerie. Lorsque les traitements biologiques sont combinés avec une membrane UF comme séparateur de boues, le système est appelé réacteur biologique à membrane MBR et combine l'efficacité du réacteur aérobie avec la séparation par ultrafiltration.

Les membranes d'osmose inverse sont utilisées comme traitement de polissage pour éliminer les composés récalcitrants et les résidus colorés. Elles doivent être installées après d'autres traitements, car aucune matière organique susceptible de provoquer un encrassement biologique ne doit les atteindre ; elles sont donc généralement installées après un réacteur biologique à membrane (Découvrez nos réacteurs biologiques à membranes).

• Lavage et nettoyage des réservoirs et des tuyaux.
• Lavage des fûts et du matériel.
• Lavage des bouteilles.
• Procédés de pressurage et de fermentation.
• Déversement de déchets de produits ou de lies.
• Nettoyage des sols et balayage.
• Pertes de vin, de moût et de sous-produits.
• Eau de refroidissement contaminée.

La plupart des polluants présents dans les eaux usées des caves à vin sont de type organique, bien que l'on en trouve également :

• Restes minéraux
• Terres
• Graisses
• Détergents et désinfectants
• Contaminants toxiques exogènes présents dans les raisins,
• Etc.

Outre les polluants issus des opérations de nettoyage, ces effluents se caractérisent par une charge polluante élevée provenant de la matière sèche du moût ou du vin, ou de micro-organismes. Il s'agit principalement de matières colorantes, de tanins, de protéines, d'acides organiques, d'hydrates de carbone et de micro-organismes (levures, bactéries lactiques et acétiques, champignons, etc.) Les résidus minéraux sont généralement constitués de tartrate de potassium qui précipite au cours du processus de vinification.

Les caractéristiques de base de ces rejets sont résumées ci-dessous :

• Concentration élevée de DBO5 et de DCO biodégradable.
• pH acide dans les rejets des caves et pH basique dans les rejets des usines d'embouteillage.
• Forte concentration de matières solides totales en suspension (MES), dont un grand nombre sous forme colloïdale.
• Faible toxicité.
• Graisses, huiles et terres provenant de la vendange, qui sont entraînées par les processus et les machines utilisés pour la récolte.
• Agents de nettoyage tels que : acides inorganiques, acides organiques,  les tensioactifs anioniques, cationiques et amphotères, les produits séquestrants et désinfectants tels que le chlore et ses composés, les composés d'ammoniums quaternaires, les composés oxydants tels que l'ozone, le peroxyde d'hydrogène, etc.
• Les raisins contiennent également des résidus de produits phytosanitaires. Ces toxines sont transférées au moût et au vin, mais la plupart d'entre elles sont éliminées au cours des différents processus tels que le pressurage, le soutirage et la stabilisation du vin.

2.2 Traitements biologiques

Les traitements biologiques utilisent l'activité métabolique microbienne pour dégrader la matière organique dans les eaux usées. Les traitements biologiques par aération sont utilisés lorsque les micro-organismes se trouvent dans un environnement riche en oxygène, ce qui leur permet d'effectuer la minéralisation de la matière organique. De plus, grâce à l'action d'enzymes microbiennes spécialisées qui détruisent les molécules de colorant, l'épuration des eaux usées est réalisée en éliminant une grande partie de la couleur et de la matière organique.

Avant le traitement biologique des effluents d'imprimerie, il faut appliquer un prétraitement, conçu en fonction de l'origine des eaux usées et de leur composition et basé sur un ou plusieurs des processus physico-chimiques décrits ci-dessus. Le prétraitement permettra aux molécules les plus complexes d'être décomposées en premier, ce qui augmentera la biodégradabilité et donc l'efficacité du système biologique.

Les systèmes MBR constituent la configuration la plus appropriée pour le traitement des contaminants organiques ou inorganiques dans les eaux usées industrielles générales. Les BRM fonctionnent avec une grande efficacité et permettent d'obtenir des performances de traitement constantes. Les BRM constituent une méthode de traitement plus rentable compte tenu des exigences en matière de débit et de volume. En outre, ils sont simples à utiliser et leur contrôle est peu complexe.

Les systèmes conventionnels à boues activées, les filtres discontinus séquentiels et les filtres à ruissellement sont conçus pour fonctionner à un taux d'élimination volumétrique plus faible, ce qui nécessite des réservoirs plus grands et plus d'espace. Ces systèmes conventionnels connaissent souvent des perturbations lors du traitement d'effluents complexes tels que les effluents d'imprimerie, entraînant l'inhibition de l'activité des micro-organismes, et ne constituent donc pas une option appropriée pour ces effluents.

2.3 Élimination de l'azote ammoniacal

L'azote ammoniacal est dérivé des additifs à base d'hydroxyde d'ammonium NH4OH utilisés dans certaines plaques d'impression. Pour une élimination efficace, il faut appliquer un prétraitement d'acidification avec de l'acide sulfurique suivi d'une précipitation avec de l'oxyde de magnésium MgO et de l'acide phosphorique H3PO4. Ensuite, le pH doit être ajusté avant le traitement biologique en appliquant de l'hydroxyde de calcium Ca(OH)2.