Traitement des eaux usées dans l'industrie des pâtes et papiers

• Industries du papier et de la pâte à papier
• 2. Production d'eaux usées dans l'industrie papetière
• 3. le traitement des eaux usées dans les industries de la pâte à papier et du papier
• 4. Réutilisation des eaux usées traitées
• 5. Conclusion

Industries du papier et de la pâte à papier

Le processus de production du papier nécessite un volume d'eau important. C'est pourquoi les producteurs de pâte et de papier ont toujours été situés à proximité des points d'approvisionnement en eau, tels que les rivières.  

L'eau est un élément essentiel dans le processus de fabrication du papier et des produits papetiers, car elle joue un rôle vital à différents stades du processus de production :

• Il sert de lien entre les fibres.
• Il est utilisé comme solvant dans le processus de production.
• Il est utilisé dans les opérations de nettoyage, de criblage et de blanchiment.
• Il fournit de l'énergie sous forme de vapeur.
• Utilisé dans les unités de refroidissement. 

L'eau qui alimente le processus de production doit être de haute qualité, ce qui implique des processus de purification dès le moment où elle est collectée.

La recherche d'une plus grande efficacité, tant sur le plan environnemental qu'économique, tout au long du processus de fabrication est l'un des principaux objectifs de l'industrie de la pâte et du papier. 

2. Production d'eaux usées dans l'industrie papetière

Les eaux usées de la fabrication du papier proviennent principalement

• Le liquide résiduel produit lors du traitement de la pâte (liqueur noire).
• Eau blanche provenant des machines à papier, produite lors du processus de fabrication.
• Les rejets provenant du lavage, du criblage et du blanchiment de la pâte à papier. Ces rejets sont chargés de polluants qui doivent être séparés avant d'être réutilisés ou éliminés.

Environ 1 à 10 m3 d'eau sont nécessaires pour chaque tonne de bois utilisée pour fabriquer du papier, selon que l'eau est réutilisée ou non. L'eau utilisée est essentiellement utilisée pour :

• Préparation des matières premières.
• Transport par fibre.
• Formation du papier.

Le processus commence par la séparation de la cellulose du reste des substances (lignine, huiles, résines, etc.), qui représentent 50 % du poids total. Deux systèmes permettent d'extraire les fibres de cellulose :

• Pâte mécanique. Elle est obtenue en broyant le bois. La qualité de la pâte obtenue est inférieure à celle de la pâte chimique, mais elle produit moins de déchets liquides.
• Pâte chimique. Elle est obtenue en soumettant des copeaux de bois à un traitement chimique afin de solubiliser la lignine et de libérer les fibres de cellulose.

Les produits chimiques utilisés peuvent être les suivants

• Les produits alcalins. Ces produits génèrent des effluents noirs très polluants, qui sont traités pour récupérer le sulfure de sodium et la soude caustique.
• Le sulfite de sodium. Cette méthode permet également de récupérer une partie des produits chimiques utilisés, comme l'acide sulfurique.

Les produits chimiques qui ne peuvent être récupérés s'échappent avec les effluents, de même que des traces de cellulose qui, n'ayant pas été retenues, augmentent la DCO des effluents.

Lors du blanchiment de la pâte, les restes de lignine qui subsistent avec les fibres de cellulose donnent à la pâte sa couleur, en particulier dans le cas de la pâte mécanique. Pour obtenir de la pâte blanche, il est nécessaire de la soumettre à un processus de blanchiment, qui peut être réalisé de différentes manières :

• Peroxyde d'hydrogène. N'enlève pas la lignine, mais enlève la couleur.
• Chlore gazeux ou dioxyde de chlore. Cette technologie est beaucoup moins respectueuse de l'environnement. Ces produits oxydent la lignine avec une grande efficacité. Cependant, étant des agents très réactifs, ils réagissent inévitablement avec les composés organiques présents dans la pâte et génèrent une grande quantité de composés organochlorés.
• L'ozone. Cette option ne génère pas de sous-produits et remplace donc l'utilisation du chlore.

Le mélange de différents types de pâte humide avec des charges (carbonate de calcium, kaolin, dioxyde de titane, etc.) et d'autres additifs (sulfate d'aluminium, colorants, amidon, latex, etc.) est étalé uniformément sur un support métallique et séché pour produire du papier.

Afin d'obtenir du papier pour l'écriture ou l'impression, la surface du papier est ensuite lissée par des moyens mécaniques.

Dans tous ces processus, un grand volume d'eau est consommé, qui doit également être de haute qualité.

La production de pâte à papier et de papier génère des effluents très pollués, en raison de la présence de plus de 250 composés différents dans les eaux usées. 

Certains sont d'origine naturelle, comme ceux provenant du bois (lignine, tanins, etc.). D'autres sont synthétiques, car ils sont incorporés dans les effluents lors des processus de fabrication et de blanchiment de la pâte de cellulose, comme les phénols, les dioxines et les furanes.

Il est important de noter que le processus de production est beaucoup plus simple lorsque le papier recyclé et ses dérivés sont utilisés comme matières premières. Les rejets sont également beaucoup moins polluants et le traitement des eaux usées est simplifié.

3. le traitement des eaux usées dans les industries de la pâte à papier et du papier

Les eaux usées générées dans l'industrie papetière sont une combinaison d'effluents de traitement et d'eaux de lavage. Leur composition varie en fonction du type de pâte utilisé et des processus de production spécifiques. Les principaux polluants présents dans ces eaux usées sont la lignine, les fibres de papier, les produits chimiques utilisés dans le processus de blanchiment et les substances alcalines.

Les stations d'épuration des eaux usées des papeteries se composent essentiellement de trois étapes :

• Traitement primaire. Elle consiste essentiellement à homogénéiser, neutraliser et séparer les solides en suspension présents dans l'effluent. Les étapes suivantes sont généralement impliquées dans cette phase :
  • Précriblage des solides grossiers.
  • Homogénéisation et ajustement du pH.
  • Coagulation et floculation des petites matières en suspension sous forme colloïdale.
  • Flottation à l'air dissous (DAF).

La flottation à l'air dissous (FAD) est un procédé d'épuration très efficace pour clarifier les effluents à forte teneur en fibres et en matières flottantes, ainsi qu'en huiles et en résines.

Le procédé consiste à séparer les particules en suspension et les matières colloïdales coagulées et floculées, qui remontent à la surface de l'équipement grâce à l'activité des microbulles de l'air sous pression. Les solides séparés flottent et sont entraînés vers une trémie par un balayeur de surface, de sorte que le volume d'eau contenu dans les boues est beaucoup plus faible que celui obtenu avec un processus de sédimentation (environ 3 à 4 % dans un DAF, contre 0,5 à 1 % dans un décanteur).

• Traitement secondaire. Une fois que les matières en suspension ont été séparées, il reste les matières dissoutes, qui doivent être éliminées par oxydation. Le processus le plus courant est l'oxydation biologique, qui sera anaérobie pour les charges élevées en DCO (≥3000 ppm), et aérobie pour les charges plus faibles.

Le traitement biologique aérobie est la méthode la plus courante pour le traitement des eaux à faible charge polluante, telles que les eaux issues du recyclage du papier. Les rejets sont généralement déficients en nutriments (N + P), qui sont dosés sous forme d'urée et de phosphates.

Après l'oxydation biologique, un système de clarification et de recirculation des boues activées doit être prévu. Systèmes DAF Les systèmes DAF se sont avérés très efficaces en raison de leur rendement de séparation élevé (plus de 90 % SS) et de leurs charges d'exploitation élevées, ce qui permet de réduire l'espace nécessaire à leur mise en œuvre. En outre, les boues obtenues ont une concentration de l'ordre de 3 à 4 %, ce qui est beaucoup plus élevé que ce que l'on peut obtenir avec les systèmes de sédimentation.

• Traitement tertiaire. En fonction de sa destination (rejet ou réutilisation), un traitement tertiaire par membranes UF et RO peut être installé.

Dans ce qui suit, nous présentons une étude de cas sur le traitement des eaux usées dans une industrie papetière de taille moyenne utilisant des dérivés de papier recyclé comme matière première.

Les détails de cette installation sont les suivants :

• Débit journalier : 5000 ^m3
• Débit moyen : 210 m³/h
• Température de conception : 30 ºC

Données obtenues lors de l'exploitation de l'usine :

Point d'échantillonnage	SS ( mg/l)	DCO (mg/l)	DBO5 (/mg/l)
Décharge à traiter	1200	1200
Décharge après la fibrose kystique	50	240	120
Décharge finale	≤20	≤150	≤25

Le résultat indiqué est une valeur moyenne, qui est toujours supérieure à la limite de rejet. Le système DAF permet d'obtenir une eau traitée de haute qualité, qui peut être réutilisée à différents endroits dans les installations de production de la papeterie.

L'installation indiquée comprend les étapes de traitement suivantes :

Schéma de principe d'une station d'épuration des eaux usées de l'industrie papetière

Dans ce projet, il y a deux unités DAF, l'une agissant comme un clarificateur primaire avant le traitement biologique, et l'autre agissant comme un clarificateur secondaire après le traitement biologique. Cette configuration permet de réduire les solides en suspension à l'entrée de l'oxydation biologique, ce qui confère une plus grande stabilité à cette étape du processus.

En outre, la réduction des polluants permet de rejeter les eaux usées, voire de les réutiliser dans certains processus industriels moins exigeants, après une simple filtration sur sable ou par microfiltration.

4. Réutilisation des eaux usées traitées

L'alternative la plus durable consiste à concevoir une station d'épuration des eaux usées dont l'objectif est de récupérer l'eau pour la réutiliser.

Étant donné que la production de pâte et de papier nécessite de l'eau à de nombreuses étapes du processus de production, l'intégration de technologies de traitement des eaux usées dans la chaîne de production signifie que le même flux d'eau peut être réutilisé à la même étape du processus, ou peut être envoyé et utilisé à une autre étape. L'avantage est double :

• Minimiser la consommation d'eau
• Minimisation des déchets liquides

Ce modèle de gestion est appelé "cycle fermé", ce qui équivaut à un système de rejet nul. La mise en œuvre de ce type de système vise à éliminer ou à réduire autant que possible l'impact environnemental de l'ensemble du processus, en minimisant à la fois la production de déchets liquides et la consommation d'eau potable.

Afin de récupérer une eau de qualité suffisante pour être réutilisée, l'eau issue de l'oxydation biologique doit être soumise à un processus de filtration sur lit de sable ou à des membranes d'ultrafiltration. Si le processus auquel l'eau est destinée exige une qualité supérieure (obtention de vapeur, circuits de refroidissement, etc.), on utilise des systèmes membranaires d'osmose inverse ou des résines échangeuses d'ions.  

Lorsque l'effluent contient des produits organiques complexes (lignine, phénols, etc.), qui peuvent constituer une DCO difficile à oxyder par des processus biologiques aérobies ou anaérobies, il est plus judicieux d'utiliser des traitements d'oxydation avancés, tels que la photo-fentonisation ou l'ozonisation, qui brisent ces chaînes organiques et permettent à l'effluent d'être dégradé par des bactéries dans des systèmes biologiques.

Les évaporateurs sous vide, qui séparent l'eau et concentrent les déchets tout en minimisant leur volume, sont une autre technologie de plus en plus utilisée pour parvenir à la mise en décharge zéro. L'eau récupérée par évaporation peut également être réutilisée, tandis que le concentré est géré comme un déchet.        

Les boues issues des traitements primaire et secondaire (boues du système DAF), ainsi que les boues issues du traitement anaérobie, sont brûlées dans une chaudière avec des résidus végétaux tels que l'écorce d'arbre, la sciure de bois, etc. La chaleur produite par les déchets organiques et la chaleur générée par l'utilisation du biogaz peuvent être utilisées comme source d'énergie.

Un système de gestion de l'environnement hautement durable est ainsi mis en place :

• La majeure partie de l'eau utilisée dans le processus est récupérée.
• Une quantité minimale de déchets est générée et doit être gérée à l'extérieur.
• D'un point de vue énergétique, il existe de grandes synergies entre les différents processus.

Il convient de noter que la mise en œuvre d'un système de rejet nul est d'autant plus complexe que la charge de polluants présents dans les effluents est élevée. Afin de garantir le succès d'un système de rejet zéro, il est essentiel d'introduire des améliorations dans le processus de fabrication du papier et de la pâte à papier qui permettent de générer moins de polluants. Un exemple est le remplacement du chlore et de ses dérivés dans le processus de blanchiment de la pâte par des composés oxygénés (peroxyde d'hydrogène ou ozone).

5. Conclusion

Les industries de fabrication du papier et de ses dérivés consomment d'importantes quantités d'eau pour leurs processus de production. De plus, elles génèrent des rejets très pollués provenant des matières premières utilisées, ainsi que des réactifs utilisés pour les différents traitements du processus.                                                  

Compte tenu de la demande croissante de papier et de la consommation d'eau qui en découle, il est nécessaire d'optimiser les processus d'épuration des eaux usées produites et de modifier les processus industriels utilisés dans la production de papier.                     

La tendance dans l'industrie est au "zéro rejet", qui permet de minimiser l'impact sur l'environnement grâce à une moindre consommation d'eau et à la réduction des déchets générés. Cela implique la mise en œuvre de technologies performantes, telles que les systèmes physico-chimiques et biologiques conçus et fabriqués par Sigmadaf.

L'eau clarifiée obtenue après un système DAF réduit les exigences de prétraitement des systèmes à membrane utilisés dans les processus de traitement tertiaire, afin d'obtenir une eau de haute qualité. Cette technologie contribue également à la réduction des déchets en augmentant la siccité des boues séparées par flottation et en réduisant la taille des évaporateurs.

Bibliographie et consultations

La technologie DAF appliquée à l'industrie papetière pour le recyclage des eaux usées - Actualités - Wuxi Gongyuan Environmental Equipment&Technology Co.

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