Pourquoi les eaux de purge des laveurs sont l'alimentation MBR la plus difficile dans une fonderie
Les eaux de purge des laveurs de fonderie sont ce qu'hérite un ingénieur process lorsque la chaîne d'épuration des gaz se vidange. Il s'agit du débordement combiné du clarificateur provenant des absorbeurs FGD humides, du lavage acide du dévésiculeur et de la liqueur de refroidissement des gaz — typiquement 5 à 40 m³/h par ligne de fusion, avec des pics 3 à 5 fois plus élevés pendant la coulée par lots (données de terrain Zhongsheng, 2026). Sur le papier, le MBR est la voie la moins coûteuse vers un effluent de clarificateur stable et à faible MES. En pratique, quatre valeurs de la fiche technique des eaux de purge tuent les membranes : température 45–65 °C, TDS 5 000–45 000 mg/L, chlorures 2 000–20 000 mg/L, et MES 200–4 000 mg/L composées de fines de gypse et de cendres volantes entraînées. Le mercure, l'arsenic, le sélénium, le plomb, le cadmium et le zinc se situent dans la plage 0,1–50 mg/L, avec un pH oscillant entre 1 et 5 au cours d'un poste.
Alimentez ce flux vers un module PVDF de 0,1 µm et trois choses se produisent simultanément. La température dépasse le plafond de service du PVDF de 38–40 °C, de sorte que le polymère se ramollit et la membrane se délamine en quelques semaines. Les cristaux de gypse (CaSO₄·2H₂O) et les particules de cendres volantes inférieures à 50 µm colmatent la surface de la membrane en quelques heures, faisant grimper la pression transmembranaire au-delà de 0,4 bar. Des chlorures supérieurs à 8 000–10 000 mg/L inhibent l'activité des nitrifiants, et les métaux lourds dissous s'accumulent dans la biomasse, la tuant et se redissolvant lorsque le pH dérive. La revue MDPI 2023 sur les MBR industriels (S1) présente le colmatage membranaire comme le principal facteur de coût d'exploitation de ces systèmes — les eaux de purge de fonderie concentrent en une seule alimentation chacun des mécanismes de colmatage documentés dans cette revue. Un système MBR immergé peut assurer cette tâche, mais uniquement après qu'une chaîne de prétraitement dédiée ramène chacun de ces paramètres dans l'enveloppe tolérée par la membrane.
Spécification contaminant-vers-alimentation MBR
Le tableau ci-dessous est le document que le service achats affichera au mur de la salle de contrôle. Il fait correspondre chaque paramètre d'une fiche type d'eaux de purge de fonderie à la valeur maximale qu'un MBR à plaques planes PVDF peut tolérer, ainsi que la raison de cette limite. Les cibles d'alimentation MBR supposent un module immergé de 0,1 µm exploité à un flux de 12–18 L/m²·h, comme les modules MBR à plaques planes PVDF de la série DF, qui consomment 10 à 20 fois moins d'énergie que les conceptions à flux tangentiel pour cette charge en matières solides.
| Paramètre | Plage typique des eaux de purge | Cible d'alimentation MBR | Raison de la limite |
|---|---|---|---|
| Température | 45–65 °C | ≤38 °C | Plafond de service PVDF (données constructeur, série DF) |
| MES | 200–4 000 mg/L | ≤5 mg/L | Colmatage de la membrane 0,1 µm par le gypse/les cendres volantes |
| TDS | 5 000–45 000 mg/L | ≤30 000 mg/L de préférence | Stress osmotique sur la biomasse, moussage, encroûtement salin |
| Chlorure (Cl⁻) | 2 000–20 000 mg/L | < 8 000 mg/L pour la nitrification | Inhibition des nitrifiants ; corrosion de l'acier auxiliaire |
| FOG (graisses et huiles) | 10–80 mg/L | < 10 mg/L | Obstruction des pores de la membrane et blocage gazeux du biofilm |
| Mercure (Hg) | 0,1–10 mg/L | ≤0,1 mg/L | Empoisonnement de la biomasse ; conformité aux BAT-AEL de l'UE |
| Arsenic (As) | 0,5–30 mg/L | ≤0,5 mg/L | Permis de rejet et absorption par la biomasse |
| Sélénium (Se) | 0,2–20 mg/L | ≤0,5 mg/L | Le séléniate traverse l'étage biologique ; nécessite une précipitation |
| pH | 1–5 | 6,5–7,5 | Confort de la biomasse et stabilité des hydroxydes métalliques |
Si un paramètre de la colonne de gauche ne peut pas être ramené dans la colonne cible par le prétraitement, la filière doit être repensée — typiquement en dérivant un flux partiel vers l'osmose inverse avant le MBR, comme décrit à l'étape 4 ci-dessous.
Étape de prétraitement 1 — Refroidissement par trempe et égalisation
La première tâche consiste à faire descendre la purge de 50–60 °C à ≤38 °C et à aplanir les pics hydrauliques et chimiques provenant des opérations discontinues du convertisseur. Une tour de refroidissement à tirage forcé ou induit dimensionnée pour 1,3× le débit de conception avec une approche de 20–25 °C par rapport au bulbe humide est l'option de référence pour la plupart des fonderies ; les échangeurs de chaleur à plaques (PHE) sont le bon choix lorsque l'usine souhaite récupérer l'énergie thermique pour l'eau de lavage basse pression ou lorsque l'appoint en eau est limité. Les plaques en titane sont obligatoires au-delà de 8 000 mg/L de Cl⁻, car la piqûration du 316L commence en quelques mois dans cette plage.
En aval du refroidissement, un bassin d'égalisation dimensionné pour un TRH de 12–24 h atténue les variations de débit de 3–5×, les excursions de pH (brut 1–5, égalisé 4–6) et les pics de température qui suivent les événements de coulée de matte. Le bassin d'égalisation est généralement en béton aéré ou en PRV avec deux mélangeurs submersibles en service/secours — l'aération élimine également une partie du SO₂ et du CO₂ dissous, augmentant le pH de 0,5 à 1,0 unité gratuitement. Le choix des matériaux est important ici : le PRV ou l'acier au carbone caoutchouté résiste au service chloruré ; le 316L n'est acceptable que sur une purge de fonderie de cuivre à faible teneur en chlorure, inférieure à 4 000 mg/L de Cl⁻. Depuis le bassin d'égalisation, le flux est pompé à débit constant vers l'étage de chimie, ce qui évite que le dosage de coagulant en aval ne poursuive une cible mouvante.
Étape de prétraitement 2 — Ajustement du pH et précipitation des métaux lourds
Deux étapes de précipitation sont nécessaires, car aucune plage de pH unique ne permet d'éliminer de manière fiable les six métaux réglementés. L'étape 2A est une élévation par hydroxyde jusqu'à un pH de 8,5–9,0 avec de la chaux (Ca(OH)₂) ou du NaOH, qui fait chuter l'arsenic, le plomb, le cadmium, le zinc et le cuivre à des concentrations inférieures au mg/L sous forme d'hydroxydes. La chaux est moins coûteuse au kg, mais génère en aval de l'entartrage au sulfate de calcium ; le NaOH est plus propre et plus facile à contrôler, et il est injecté via un système de dosage chimique automatique piloté par API avec une sonde pH redondante sur un flux dérivé.
L'étape 2B est ce qui différencie les eaux de purge de fonderie d'une eau usée générique de finition des métaux. Le mercure et le sélénium ne précipitent pas proprement avec l'hydroxyde seul, et au-delà d'environ 8 000 mg/L de Cl⁻, le mercure reste en solution sous forme de HgCl₄²⁻ quel que soit le pH. La solution consiste en une étape au sulfure ou à un réducteur puissant à pH 9,5–10,5 : le TMT-15 (2,4,6-trimércaptotriazine) à 5–15 mg/L par mg de Hg, ou le Na₂S à une dose de 1,0–1,5× la stœchiométrie, convertit le mercure en boue sulfurée stable. Le sélénium sous forme de séléniate (SeO₄²⁻) nécessite une réduction préalable en sélénite avec du FeCl₃ à pH 7–8, puis une coprécipitation avec les hydroxydes métalliques. Le temps de réaction est de 20 à 30 min par étape avec un mélange rapide de 50 à 100 tr/min, un dosage de polymère de 0,5 à 2 mg/L pour la floculation, et une production de boues de 3 à 8 kg/m³ d'eaux de purge — généralement envoyées vers un épaississeur de boues dédié aux métaux lourds, et non vers le terril de gypse. Au-delà de 15 000 mg/L de Cl⁻, le dosage de sulfure devient obligatoire plutôt qu'optionnel, car les équilibres chloro-complexes maintiennent le mercure soluble en dessous d'un pH de 10,5.
Étape de prétraitement 3 — Clarification et filtration multi-média
Les précipités doivent être extraits avant d'atteindre les membranes. Un clarificateur lamellaire (bassin de décantation à haute efficacité) fonctionnant à une charge surfacique de 20–40 m²/m²·h capte l'essentiel des boues d'hydroxydes métalliques et de gypse, la recirculation des boues maintenant un lit stable à 1–3 % de matières solides. La turbidité en sortie est généralement de 20–50 NTU, ce qui est insuffisant pour une membrane de 0,1 µm — les cristaux de gypse de moins de 20 µm traversent les modules lamellaires et colmateront le module en un seul poste. La conception du clarificateur lamellaire utilisée ici doit être spécifiée avec un espacement des plaques de 60° et un cône épaississeur de boues de 50 mm pour gérer la densité élevée des boues chargées de gypse.
L'affinage jusqu'à l'objectif de MES ≤ 5 mg/L du MBR s'effectue dans un filtre multicouche à écoulement descendant avec anthracite (0,8–1,2 mm, 0,5 m), sable de silice (0,45–0,55 mm, 0,3 m) et grenat (0,2–0,3 mm, 0,1 m), à une vitesse de filtration de 10–15 m/h. Le filtre multicouche fonctionne selon un cycle de lavage à contre-courant de 24 h utilisant l'eau filtrée additionnée d'un balayage à l'air, ainsi qu'un trempage périodique avec du HCl à 1 % pour dissoudre le tartre de sulfate de calcium accumulé. Une fois cette filière en service, l'alimentation du MBR doit systématiquement afficher moins de 5 mg/L de MES et moins de 2 NTU — vérifié en ligne au moyen d'un turbidimètre laser plutôt que par prélèvements ponctuels, car la précipitation de gypse dans la ligne d'échantillonnage risque d'induire l'opérateur en erreur.
Étape 4 du prétraitement — Conditionnement optionnel pour les flux à TDS élevé
Les fonderies de grillage de zinc et les fonderies de cuivre qui puisent l'eau de leurs laveurs de gaz dans l'eau de mer se heurtent à un cas particulier que la filière standard ne peut pas traiter. Lorsque les TDS dépassent 30 000 mg/L ou que les chlorures dépassent 15 000 mg/L, la pression osmotique à travers la membrane du MBR fait chuter le flux sous 8 L/m²·h, l'activité de la biomasse halophile diminue de moitié, et la nitrification classique s'arrête pratiquement. La revue MDPI de 2023 (S1) signale la forte salinité comme une contrainte majeure de la conception des MBR industriels, et l'expérience de terrain confirme qu'un ensemencement halophile nécessite 4 à 6 semaines d'acclimatation et des bassins d'aération 50 % plus grands pour obtenir le même taux d'élimination de la DBO.
La solution technique la plus propre consiste à séparer les flux : envoyer l'effluent clarifié et débarrassé des métaux précipités vers un système d'osmose inverse pour eau saumâtre à un taux de récupération de 70–80 %, et n'alimenter le MBR qu'avec le perméat de l'OI (TDS généralement compris entre 200 et 500 mg/L). Le concentrat de l'OI (TDS 80 000–120 000 mg/L) est dirigé vers le bassin d'évaporation ou le cristalliseur existant de la fonderie. Cette solution est plus coûteuse en investissement, mais elle transforme un problème biologique en un problème membranaire, plus facile à exploiter et bien plus simple à faire autoriser. Pour les fonderies qui disposent déjà d'une filière d'OI pour l'alimentation des chaudières, il ne s'agit généralement pas d'un nouveau poste, mais d'un simple raccordement.
Implications du dimensionnement du MBR après le prétraitement
Une fois que la purge répond au tableau des paramètres, le dimensionnement du MBR devient simple. Il faut s'attendre à des matières en suspension de la liqueur mixte (MLSS) de 8 000–12 000 mg/L, un TRH de 6–10 h, et un flux durable de 12–18 L/m²·h pour un module immergé de série DF fonctionnant sous une aspiration de −0,1 à −0,3 bar. La revue MDPI de 2023 (S1) identifie le flux durable et le contrôle du colmatage comme les principales contraintes de conception des MBR industriels, ce qui explique pourquoi fonctionner à 15 L/m²·h avec un contre-lavage intermittent est un choix plus judicieux à long terme que de viser 22 L/m²·h et de s'exposer à un problème de nettoyage chimique. Il faut prévoir un contre-lavage en mode relaxation toutes les 8–12 min (45 s en marche, 8 min à l'arrêt) et un nettoyage chimique en ligne avec 500–1 000 mg/L de NaOCl tous les 7 à 14 jours, car les flux de purge des laveurs de gaz contiennent toujours des traces de mercure, d'arsenic et de sélénium qui sollicitent la biomasse même après précipitation. La logique de dimensionnement est similaire en principe au dimensionnement d'un MBR pour le rejet d'UF de cataphorèse, mais ici, c'est le plafond de salinité qui constitue la contrainte déterminante, et non la charge organique.
Questions fréquentes
Quelle est la température maximale admissible pour les purges de laveurs de gaz à l'alimentation du MBR ?
≤38 °C pour un module standard à plaques planes en PVDF ; 40 °C constitue le plafond absolu à court terme, et tout fonctionnement prolongé au-delà de 35 °C réduit sensiblement la durée de vie de la membrane (données du fabricant, série DF, 2026).
Quelle concentration en chlorures impose une conception RO en flux séparé plutôt qu'une alimentation directe du MBR ?
Un taux de Cl⁻ supérieur à 15 000 mg/L — ou de TDS supérieur à 30 000 mg/L — doit déclencher la mise en place d'une RO en flux latéral, dont le perméat alimente ensuite le MBR, car la nitrification et le flux durable s'effondrent tous deux dans une biomasse standard à ce niveau de salinité.
Pourquoi le mercure ne peut-il pas être éliminé par précipitation à l'hydroxyde seule dans les purges de fonderie ?
Au-delà d'environ 8 000 mg/L de Cl⁻, le mercure forme des chloro-complexes solubles (HgCl₄²⁻) qui restent en solution jusqu'à pH 10,5 ; une étape au sulfure ou au TMT-15 à pH 9,5–10,5 est nécessaire pour ramener le Hg à ≤0,1 mg/L.
Quel objectif de MES protège un module MBR immergé de 0,1 µm du colmatage total ?
≤5 mg/L de MES et moins de 2 NTU à l'alimentation du MBR, obtenus grâce à un clarificateur lamellaire suivi d'un filtre multicouche anthracite-sable-grenat ; l'entraînement de gypse est la cause la plus fréquente de colmatage prématuré lorsque cet objectif n'est pas atteint.
