Pourquoi l'extension d'une aciérie change l'équation des eaux usées
L'ajout de 2–5 Mt/an de capacité d'acier brut à un complexe intégré de type ArcelorMittal augmente la demande totale en eau de 25–60 m³ par tonne d'acier brut produite — la fourchette de travail des usines indiennes (IJESI, 2021). Pour un ajout brownfield de 1 Mt/an au milieu de cette fourchette (40 m³/t), la demande en eau brute grimpe d'environ 40 000 m³/jour avant tout crédit de recyclage, et le débit d'eaux usées correspondant vers l'ETP atteint ~120 000 m³/jour une fois les purges, les lavages de dépoussiérage des gaz et les rinçages de la ligne de décapage déduits du réemploi interne. L'ETP existante a été dimensionnée pour l'enveloppe de charge d'avant l'extension — typiquement un profil diurne en poste unique, avec les eaux usées de cokerie séparées des liqueurs de décapage — et ne peut absorber un saut d'échelle de cette ampleur sans un train supplémentaire ou une ligne tertiaire/recyclage parallèle.
Trois évolutions rendent la rénovation d'une ETP brownfield plus difficile qu'une construction greenfield. Premièrement, les charges de choc : la nouvelle capacité de cokéfaction génère des pics d'ammoniac et de thiocyanate que l'ancien bassin d'homogénéisation ne peut tamponner à 8–16 h de TRH. Deuxièmement, la dérive de salinité : un nouveau module DRI-EAF ou convertisseur à l'oxygène (BOF) ferme la boucle d'eau et concentre les chlorures et les TDS dans l'eau de refroidissement recirculée, qui reflue vers l'ETP. Troisièmement, le durcissement des autorisations : les renouvellements d'autorisations brownfield en 2026 exigent généralement une DCO ≤125 mg/L et un azote total ≤15 mg/L au titre des politiques de groupe/alignées IED, contre l'ancienne enveloppe CPCB pour eaux de surface intérieures de DCO <250 mg/L et DBO <30 mg/L (tableau de normes IIT Delhi, 2016). Tout nouveau train doit être conçu dès le premier jour selon la ligne la plus stricte.
Polluants par unité sidérurgique : ce que chaque flux apporte à l'ETP
Les eaux usées d'aciérie ne constituent pas un flux unique — elles sont la somme d'effluents spécifiques à chaque procédé, chacun portant une signature de polluants caractéristique. L'ETP doit être configurée de sorte que chaque signature corresponde à une opération unitaire précise, c'est pourquoi la ségrégation au collecteur d'usine est la première décision de conception.
| Opération unitaire | Part de débit typique | Plage de pH | Polluants dominants | Étape de traitement aval |
|---|---|---|---|---|
| Cokerie (eaux ammoniacales, tête de déphénolage) | 5–15 % | 7,5–10 | DCO 3 000–6 000 mg/L, phénols 200–1 500 mg/L, NH₃-N 200–800 mg/L, thiocyanate 100–600 mg/L, cyanure libre et complexe, couleur foncée, film huileux | Stripping → UASB anaérobie → biologique (MBBR/IFAS/MBR) → ozone/Fenton |
| Agglomération et granulation de laitier | 15–25 % | 6–9 | MES 500–3 000 mg/L, NH₃ issu du SCR, pics occasionnels de Zn/Pb, fluorure, DBO/DCO faible | Homogénéisation → clarificateur primaire/lamellaire → polissage biologique |
| Haut-fourneau (lavage de dépoussiérage des gaz, arrosage de hall de coulée) | 20–30 % | 7–9 | MES 200–1 500 mg/L, huiles et graisses 50–500 mg/L, Zn, Pb, Cr, Ni, traces de cyanure, rapport DBO/DCO faible (<0,2) | Dégraissage API/DAF (flottation à air dissous) → précipitation chimique → biologique |
| Convertisseur à l'oxygène BOF (dépoussiérage des gaz de convertisseur, fosse à laitier) | 10–20 % | 7–10 | MES élevées, huiles, Fe, Ca, Mg dissous, fluorure occasionnel ; DBO minimale | Homogénéisation → DAF (flottation à air dissous) → clarificateur primaire |
| Laminage et ligne de décapage | 15–25 % | 1–4 (liqueur de décapage) / 6–9 (rinçage) | Acide libre (HCl ou H₂SO₄) jusqu'à 200 g/L, Fe dissous jusqu'à 100 000 mg/L dans la liqueur usée, F⁻ jusqu'à plusieurs centaines de mg/L issus des décapages HF, huiles, tensioactifs | Récupération d'acide / dialyse par diffusion → neutralisation + précipitation à la chaux → ligne de boues dédiée |
| Coulée continue et refroidissement de bande à chaud | 5–15 % | 7–9 | Huiles, MES, faibles solides dissous, particules de calamine (Fe, Ca, Mg) | DAF (flottation à air dissous) → filtre multimédia → réemploi en tour de refroidissement |
Les flux de haut-fourneau et de BOF sont dominés par les matières en suspension et les huiles plutôt que par les organiques dissous, c'est pourquoi ils passent par un prétraitement DAF (flottation à air dissous) et sautent l'étage biologique à haute charge. Les eaux usées de cokerie, à l'inverse, portent la charge de toxicité la plus élevée et la chimie organique la plus complexe — phénols, thiocyanate, aromatiques polycycliques — et elles ancrent la conception des sections biologique et AOP.
Le train de traitement en quatre étapes pour une usine étendue de type ArcelorMittal
Le train de référence ci-dessous est ce qu'un ingénieur doit s'attendre à trouver dans une proposition EPC 2026 pour une ETP brownfield ArcelorMittal/AMNS India. Il est construit étage par étage afin que chaque unité aval soit protégée de la variabilité amont.
Étape 1 — Homogénéisation, déshuilage et stripping du cyanure. Les flux ségrégués sont recombinés dans un bassin d'homogénéisation dimensionné pour 8–16 h de TRH (IIT Delhi, 2016). Les huiles libres sont éliminées par un dégrillage à barreaux de 10 mm suivi d'un séparateur API ou d'un prétraitement DAF (flottation à air dissous) des huiles et des matières en suspension en amont du bassin d'homogénéisation. Le pH est corrigé à la chaux/NaOH (pour le rinçage acide de décapage) ou à l'H₂SO₄ (pour les eaux ammoniacales alcalines). L'ammoniac et le cyanure libre sont strippés dans une tour à garnissage à l'air/vapeur à pH élevé et 12–14 h de temps de séjour ; la tête de colonne est envoyée vers une colonne d'absorption d'ammoniac dédiée pour récupération sous forme de sulfate d'ammonium.
Étape 2 — Primaire physico-chimique. La coagulation utilise de l'alun, du PAC ou du FeSO₄ dans la plage 200–1 000 ppm plus 0,2–2 ppm de polyélectrolyte ; le mélange rapide/floculateur alimente un clarificateur primaire ou un décanteur à haute efficacité (lamellaire) avec une charge superficielle de 25–40 m³/m²·jour. Les flux latéraux de liqueur de décapage sont pré-précipités à la chaux jusqu'à pH 8,5–9,5 afin d'entraîner le fluorure et les métaux dissous (Fe, Zn, Cr³⁺) dans une boue décantée avant le clarificateur.
Étape 3 — Biologique en deux étages. La liqueur de cokerie à DCO élevée passe d'abord par un UASB anaérobie (TRH 12–24 h, abattement de DCO 60–75 %) pour réduire le choc inhibiteur sur les aérobies, puis dans un étage aérobie — boues activées, MBBR, IFAS, ou un polissage MBR (bioréacteur à membrane). Une culture mixte de Pseudomonas, Arthrobacter, Micrococcus et Bacillus a été rapportée comme permettant un abattement DCO/DBO jusqu'à 95 % sur un influent d'aciérie (IJESI, 2021). La nitrification est requise pour atteindre la cible d'azote total ~15 mg/L ; la dénitrification s'effectue en zone pré-anoxique avec du méthanol ou de la liqueur de décapage usée comme source de carbone.
Étape 4 — Polissage tertiaire et recyclage. L'effluent biologique passe par une filtration multimédia, puis une étape de polissage par osmose inverse industrielle (RO) à 97 % de rejet pour les métaux lourds résiduels, les TDS et les huiles et graisses (IJESI, 2021). Un AOP ozone ou Fenton est inséré avant la RO lorsque le thiocyanate et la couleur issus des résidus de cokerie ne sont pas entièrement oxydés biologiquement — Chang et al. rapportent une élimination complète du thiocyanate et de la couleur avec 80 % d'abattement de DBO en 1 h de contact ozone (IJESI, 2021).
| Étape | Opération unitaire | Paramètre de conception clé | Abattement / sortie cible |
|---|---|---|---|
| 1 | Dégrillage, homogénéisation, stripping huiles/cyanure | 8–16 h de TRH ; dégrillage 10 mm ; correction de pH 6,5–8,5 | Huiles et graisses <50 mg/L ; CN⁻ libre <1 mg/L ; débit homogénéisé |
| 2 | Coagulation/floculation + lamellaire + précipitation ligne de décapage | Alun/FeSO₄ 200–1 000 ppm ; PE 0,2–2 ppm ; charge superficielle 25–40 m³/m²·jour | MES <100 mg/L ; F⁻ <10 mg/L ; boues Fe, Zn, Cr |
| 3 | UASB + aérobie (MBBR/IFAS/MBR) | MLSS 3 500–5 000 mg/L ; TRH aérobie 6–10 h ; F/M 0,15–0,25 | DCO <125 mg/L ; DBO <15 mg/L ; NH₃-N <5 mg/L |
| 4 | FMM + AOP (O₃/Fenton) + RO | Dose d'ozone 5–20 mg/L ; récupération RO 70–95 % ; rejet 97 % | TDS <50 mg/L dans le perméat ; thiocyanate <0,1 mg/L ; ≥70 % du flux recyclé |
Dimensionnement de la nouvelle ETP : exemple calculé pour un ajout de capacité de 1 Mt/an
Prenez la base de conception : 1 000 000 t/an d'acier brut nouveau, 330 jours d'exploitation/an, intensité hydrique 40 m³/t (milieu de 25–60 m³/t selon IJESI 2021). Le débit de conception est 1 000 000 × 40 / 330 = 121 212 m³/jour, soit 121 500 m³/jour. Utilisez les bornes 25 et 60 m³/t pour encadrer les cas bas et haut à 75 800 m³/jour et 181 800 m³/jour respectivement — c'est l'enveloppe contre laquelle tester les capacités d'homogénéisation, biologique et RO.
Volume du bassin d'homogénéisation à 12 h de TRH et facteur de pointe 1,4 Q_avg : 121 500 × 1,4 × 12 / 24 = 85 050 m³ (deux bassins parallèles d'environ 42 500 m³ chacun sont typiques à cette échelle). Volume biologique aérobie à TRH 8 h et 5 000 mg/L de MLSS : 121 500 × 8 / 24 = 40 500 m³ — réparti sur 4–6 trains d'environ 7 000–10 000 m³ chacun. Demande d'aération à 1,5–2,0 kg O₂/kg DBO éliminée avec 350 mg/L de DBO d'alimentation : 121 500 × 350/1 000 × 1,8 = ~76 500 kg O₂/jour, soit environ 80 000 Nm³/h de capacité de soufflantes. RO dimensionnée pour 70 % de récupération sur le flux poli : 121 500 × 0,65 (fraction de recyclage post-biologique) = ~79 000 m³/jour d'alimentation RO, produisant ~55 000 m³/jour de perméat pour l'appoint des tours de refroidissement et du dépoussiérage des gaz. Pour le contexte sur le choix biologique hybride dans un cadre métallurgique similaire, la référence biologique hybride IFAS détaille les arbitrages MLSS, TRH et SRT.
| Paramètre de conception | Cas médian (40 m³/t) | Bas (25 m³/t) | Haut (60 m³/t) |
|---|---|---|---|
| Débit de conception, m³/jour | 121 500 | 75 800 | 181 800 |
| Bassin d'homogénéisation, m³ (12 h TRH, 1,4× pointe) | 85 000 | 53 000 | 127 000 |
| Volume de réacteur aérobie, m³ (8 h TRH) | 40 500 | 25 300 | 60 600 |
| Capacité de soufflantes, Nm³/h O₂ | ~80 000 | ~50 000 | ~120 000 |
| Alimentation RO (65 % du débit), m³/jour | 79 000 | 49 300 | 118 200 |
| Perméat RO (70 % de récupération), m³/jour | 55 300 | 34 500 | 82 700 |
Cibles de conformité et cibles de recyclage pour une ETP brownfield 2026
Deux jeux de limites gouvernent la conception. Le plancher réglementaire est l'enveloppe CPCB pour eaux de surface intérieures utilisée par les arrêtés d'autorisation GPCB : pH 5,5–9,0, MES <100 mg/L, huiles et graisses <10 mg/L, DBO <30 mg/L, DCO <250 mg/L (IIT Delhi, 2016). Le plafond de facto est la politique de groupe ArcelorMittal, généralement alignée sur les plages BAT-AEL de la IED européenne — DCO ≤125 mg/L, azote total ≤15 mg/L, matières en suspension totales ≤30 mg/L, et Zn, Pb, Cr, Ni chacun à un rejet inférieur à 1 mg/L. Les ingénieurs doivent concevoir le train tertiaire selon la ligne de groupe, et non la ligne réglementaire ; la limite réglementaire devient le plafond d'autorisation, et l'écart est consommé par la variabilité opérationnelle. Les cibles de recyclage doivent être fixées indépendamment : ≥70 % du perméat RO réemployé comme appoint des tours de refroidissement et du dépoussiérage des gaz, le concentrat RO étant envoyé vers un filtre-presse et le gâteau orienté vers l'agglomération ou vers un centre de stockage sécurisé. Pour le cadrage du prétraitement et du rejet indirect qui recoupe la conformité des usines métallurgiques, le guide de conformité au prétraitement des usines de métaux constitue une lecture parallèle utile.
Gestion des boues et des flux latéraux
Le train eau n'est que la moitié de la conception — le rendement en boues et l'aptitude à la déshydratation décident si la nouvelle ETP est exploitable. Le rendement en boues biologiques est typiquement de 0,2–0,4 kg MS/kg DBO éliminée ; sur le cas médian 1 Mt/an, cela représente ~14 000–28 000 kg MS/jour pour le seul étage biologique, avant d'ajouter les boues chimiques de la ligne de décapage et du lamellaire. L'épaississement à 3–5 % MS dans un épaississeur gravitaire, puis la déshydratation jusqu'à un gâteau à 25–35 % MS sur un filtre-presse à plateaux et cadres pour la déshydratation des boues, constitue la configuration standard 2026. Les boues de ligne de décapage sont ségréguées car elles sont riches en hydroxyde de fer et peuvent être réinjectées dans un four Waelz ou une agglomération comme fondant ferreux — un crédit de récupération interne qui fait souvent basculer l'économie du projet. Le conditionnement chimique (dose de polymère 4–8 kg/t MS) est assuré par un système de dosage chimique automatique raccordé à la ligne d'alimentation de la presse, avec un contrôle feed-forward depuis le densimètre de boues. Pour le contexte sur l'alignement d'un train ETP brownfield comparable dans un autre secteur d'industrie lourde, l'article compagnon sur le dimensionnement d'ETP lié à une extension montre la même logique en quatre étapes appliquée aux eaux usées de grande consommation (FMCG).
Questions fréquentes
Quel est le débit de conception d'une ETP brownfield ArcelorMittal pour un ajout de capacité de 1 Mt/an ?
En utilisant le référentiel indien 25–60 m³/t (IJESI, 2021) à 330 jours d'exploitation, le débit de conception s'encadre de ~75 800 m³/jour (bas) à ~181 800 m³/jour (haut), avec un cas médian de ~121 500 m³/jour à 40 m³/t. Le cas haut fixe le dimensionnement de l'homogénéisation et de la RO ; le cas bas fixe la limite de turndown du MLSS biologique.
Quelle technologie biologique est privilégiée pour les eaux usées de cokerie dans une ETP brownfield 2026 ?
Un train en deux étages, anaérobie (UASB) puis aérobie MBBR, IFAS ou MBR, constitue le train de référence standard, le MBR (bioréacteur à membrane) étant privilégié lorsque le foncier est contraint et que l'exploitant peut assumer le coût de remplacement des membranes. Une culture mixte comprenant Pseudomonas, Arthrobacter, Micrococcus et Bacillus a été documentée comme permettant jusqu'à 95 % d'abattement DCO/DBO sur un influent d'aciérie (IJESI, 2021). Un AOP ozone ou Fenton est ajouté avant la RO lorsque le thiocyanate et la couleur persistent au-delà de l'étage biologique.
À quelles limites de conformité la nouvelle ETP doit-elle être conçue ?
Concevez selon le plus strict entre l'enveloppe CPCB pour eaux de surface intérieures (DCO <250 mg/L, DBO <30 mg/L, MES <100 mg/L, huiles et graisses <10 mg/L, pH 5,5–9,0, selon IIT Delhi 2016) et le standard de groupe ArcelorMittal (typiquement DCO ≤125 mg/L, azote total ≤15 mg/L). La limite de groupe est le chiffre contraignant pour les autorisations brownfield 2026 en Inde.
Comment les eaux usées de la ligne de décapage sont-elles traitées séparément du flux mixte ?
La liqueur de décapage (HCl ou H₂SO₄, avec Fe dissous jusqu'à 100 000 mg/L et F⁻ issu des décapages HF) est ségréguée au collecteur, passe par une récupération d'acide ou une dialyse par diffusion, puis est neutralisée à la chaux jusqu'à pH 8,5–9,5 pour précipiter le fluorure, le fer et les métaux lourds traces. Les boues sont orientées vers une ligne dédiée et récupérées comme charge ferreuse vers l'agglomération ou le four Waelz lorsque la logistique le permet.
Quel est le rendement typique en boues et comment sont-elles déshydratées ?
Les boues biologiques produisent 0,2–0,4 kg MS par kg de DBO éliminée. Sur le cas médian 1 Mt/an, cela représente 14 000–28 000 kg MS/jour avant les boues de ligne de décapage. Le train de déshydratation standard 2026 épaissit à 3–5 % MS, puis déshydrate jusqu'à un gâteau à 25–35 % MS sur un filtre-presse à plateaux et cadres, avec un conditionnement polymère à 4–8 kg/t MS depuis un skid de dosage automatique.
