Les industries laitières se sont développées dans la plupart des pays en raison de la demande de lait et de produits laitiers. Cette hausse a entraîné la croissance des industries laitières. Les eaux usées rejetées par cette industrie contiennent des concentrations élevées de nutriments, de demande chimique en oxygène (DCO), de demande biologique en oxygène (DBO), de solides totaux en suspension (TSS) et de contenus organiques et inorganiques, qui peuvent causer de graves problèmes environnementaux s’ils ne sont pas correctement traités. Les méthodes conventionnelles de traitement biologique conviennent aux eaux usées des produits laitiers en raison de leur biodégradabilité élevée. Cependant, les acides gras à longue chaîne formés lors de l’hydrolyse des lipides présentent une action inhibitrice lors du traitement anaérobie. Les systèmes SBR (Sequencing Batch Reactor) et UASB (Up Flow Anaerobic Sludge Blanket) semblent être les technologies les plus prometteuses pour le traitement biologique des eaux résiduaires laitières. Plusieurs articles de recherche ont été publiés sur l’application des technologies de traitement aérobie et anaérobie aux eaux usées de l’industrie laitière, mais les deux méthodes de traitement présentent encore certains inconvénients. Le défi le plus important est de trouver des approches rentables et écologiquement durables pour permettre la réutilisation de l’eau et la gestion des déchets. C’est pourquoi des technologies de traitement alternatives aux méthodes de traitement biologique, telles que la coagulation, l’adsorption, les membranes et les procédés d’électrolyse, sont à l’étude. Ce chapitre présente une revue critique des technologies de traitement physico-chimique des eaux usées laitières.
1. Introduction
L’industrialisation joue un rôle important dans le développement d’un pays, ce qui entraîne de graves problèmes de pollution dans le monde entier. Avec l’augmentation de la demande de lait et de produits laitiers, les industries laitières ont connu une croissance énorme en nombre et en taille dans de nombreux pays du monde entier. La production totale de lait a été estimée à 818 millions de tonnes selon le İnternational Dairy Federation’s World Dairy Report 2016, soit environ 2% de plus qu’en 2014.
L’industrie laitière est la principale source de transformation des aliments, qui consomme l’une des plus grandes quantités d’eau utilisée à chaque étape de l’industrie laitière. Par conséquent, la quantité d’eaux usées rejetées par l’industrie laitière a également augmenté. Pour cette raison, le traitement des déchets laitiers devient très important avant leur élimination. Il est donc nécessaire de savoir comment les processus se déroulent dans l’industrie laitière.
Dans l’industrie laitière, les produits sont très divers, principalement le lait pasteurisé et stérilisé, le yaourt, l’ayran, le fromage, la crème, le beurre, la crème glacée et le lait en poudre. Les eaux usées proviennent à la fois de la production des produits et des unités de conditionnement.
Lors de la traite, le lait cru est collecté auprès des producteurs, des échantillons sont prélevés et envoyés à l’usine. Les eaux usées proviennent de l’eau provenant des bidons de lait, des réservoirs de stockage, des lieux de lavage et des systèmes de refroidissement.
Dans l’unité d’emballage, les eaux usées proviennent du nettoyage des bouteilles, des pots, des réservoirs et des équipements liés à l’emballage.
Dans l’unité de production de crème, le beurre est fabriqué avec de la crème douce et de la crème acidulée. Le lait est centrifugé pour séparer la crème du lait. Alors que le lait sans crème est envoyé vers les processus nécessaires, le beurre est produit en barattant la crème restante. Des eaux usées se forment pendant le lavage des lieux et le nettoyage des outils.
Le processus de fabrication du fromage comporte de nombreuses étapes. Celles-ci comprennent la coagulation du lait, le découpage du caillé, la cuisson, l’égouttage, le placement du caillé dans des moules à fromage et le pressage des moules. Le fromage dans les moules est façonné et emballé. Le lactosérum est la source d’eaux usées la plus importante de l’État. Cependant, le petit-lait peut être réutilisé en le séchant principalement. C’est pourquoi il est réutilisé dans la production d’aliments prêts à l’emploi (biscuits, chocolat, etc.) après avoir été rejeté comme eau résiduaire.
Dans l’unité de production de crème glacée, le lait, les additifs, le sucre et les épaississants sont mélangés. Après avoir été pasteurisés et refroidis, des arômes sont ajoutés et emballés. Des eaux usées contenant des détergents et des désinfectants se forment lors du nettoyage et de la désinfection de l’unité.
Dans la production de lait concentré, le lait chauffé est évaporé et homogénéisé pour donner du lait sans sucre. Le lait condensé sucré est également produit par cette méthode.
Dans la production de lait en poudre, celui-ci est obtenu par évaporation sous vide puis par séchage par pulvérisation.
Les méthodes d’exploitation, le programme de production, le type de produit traité, la gestion de l’eau appliquée et la conception de l’usine de traitement ont un effet sur la composition et la concentration des effluents laitiers. Les eaux de traitement, les eaux usées de nettoyage et les eaux usées sanitaires sont les trois principales sources d’eaux usées de l’industrie laitière. La plupart des industries de transformation du lait utilisent un système de nettoyage en place (NEP) qui utilise des solutions caustiques, phosphoriques/nitriques, de l’hypochlorite de sodium pour le nettoyage, et ces produits chimiques sont devenus une partie des eaux usées.
Les eaux usées de l’industrie laitière contiennent des solides en suspension et dissous, des matières organiques solubles et en traces, des nutriments, des graisses, des chlorures, des sulfates, du lactose, et elles sont caractérisées par une demande chimique en oxygène (DCO) et une demande biologique en oxygène (DBO) élevées. Les eaux usées peuvent également contenir des germicides, des détergents et d’autres types de produits chimiques. Tous ces éléments ont un impact significatif sur les eaux usées.
Les caractéristiques des eaux usées des produits laitiers ont montré une composition variable des effluents et diffèrent d’une industrie à l’autre. Il est donc difficile d’utiliser les mêmes méthodes pour le traitement de chaque eau usée.
Les approches traditionnelles (procédés aérobies et anaérobies) pour le traitement des eaux usées laitières présentent de nombreux inconvénients tels que le coût du terrain, les conditions climatiques, la nécessité de recycler les boues, etc. La méthode de traitement la plus utilisée pour les eaux usées de laiterie est une méthode biologique comprenant des procédés tels que les boues activées, les filtres à chicanes, les lagunes aérées, les réacteurs séquentiels discontinus (SBR), le lit de boue anaérobie à écoulement ascendant (UASB), les filtres anaérobies, etc. Les procédés aérobies consomment beaucoup d’énergie, mais ils doivent être combinés à des procédés anaérobies pour respecter les normes de rejet. D’autre part, les méthodes physico-chimiques sont des méthodes prometteuses et efficaces pour le traitement des eaux usées.
2. Évaluation des procédés de traitement physico-chimique des eaux usées de l’industrie laitière
La caractérisation des eaux usées joue un rôle important lors de la conception du système de traitement des eaux usées. La concentration en DCO des eaux usées des produits laitiers varie considérablement. La charge polluante des eaux usées d’une entreprise produisant du yaourt dans le secteur et la charge polluante des eaux usées d’une entreprise produisant du fromage sont très différentes. Étant donné que les usines de production de yaourt et d’ayran ont de faibles paramètres d’huile-graisse et de DCO, elles ne fournissent généralement qu’un traitement physique + biologique et des normes de rejet. Cependant, comme les paramètres huile-graisse et DCO sont élevés dans les usines de production de fromage, les unités de traitement physique + chimique + biologique sont généralement préférées dans les usines à petite échelle.
Dans de nombreux pays, les eaux usées du secteur laitier et des produits laitiers font partie des sources qui provoquent une pollution importante des milieux aquatiques naturels. De nombreuses études ont été menées à ce jour pour réduire considérablement les effets néfastes de ces eaux usées.
Les procédés physico-chimiques sont largement utilisés pour le traitement des eaux usées industrielles.
2.1. Précipitation chimique et procédés de coagulation/floculation
Certains processus physico-chimico-biologiques sont généralement en interaction, comme la précipitation chimique, l’agrégation des colloïdes par les processus de coagulation-floculation. Dans la plupart des processus, la précipitation et la coagulation-floculation se produisent simultanément.
La précipitation chimique implique l’ajout de produits chimiques pour séparer les solides dissous et en suspension par sédimentation et est utilisée pour les installations de décantation primaire. Dans la pratique actuelle, l’élimination du phosphore et des métaux lourds peut être réalisée. De nombreuses substances ont été utilisées comme précipitants au fil des ans, comme l’alun, le sulfate ferrique, le sulfate ferreux, etc. Elles sont principalement utilisées pour le traitement des cations métalliques, des anions, des molécules organiques, des détergents et des émulsions huileuses.
Les procédés de coagulation/floculation sont utilisés essentiellement pour séparer les contenus en suspension, colloïdaux et dissous des eaux usées et sont appliqués directement aux eaux usées brutes. Le processus peut être divisé en deux catégories. La première, appelée coagulation, est le processus dans lequel des produits chimiques (agents coagulants) tels que le fer ou l’aluminium sont utilisés pour surmonter les facteurs qui favorisent la stabilité du système. Le second processus, appelé floculation, permet aux particules déstabilisées de se rassembler et de se séparer facilement par décantation gravitaire. Quelques études ont été réalisées dans la littérature pour la coagulation des eaux usées laitières.
2.2. Processus d’adsorption
L’adsorption s’est avérée intéressante pour l’élimination des composés organiques des eaux usées. Il existe de nombreux types d’adsorbants, notamment le charbon actif, les polymères synthétiques et les adsorbants à base de silice. Le plus utile est le charbon actif en raison de sa rentabilité et de sa capacité à adsorber une large gamme de composés organiques. L’adsorption peut être classée en adsorption physique et chimique. Les forces de Van der Waals sont utilisées dans l’adsorption physique et le charbon actif est le meilleur exemple d’adsorption physique. Une réaction chimique se produit entre l’adsorbat et l’adsorbant, mais elle n’a pas une large application dans le traitement des eaux usées.
L’adsorption sur des surfaces solides a de nombreuses applications et est utilisée pour éliminer les matières organiques, les produits chimiques, les métaux lourds et ainsi de suite. Les cendres volantes, les cendres de balle de riz, les cendres volantes de bagasse et le charbon actif sont des adsorbants peu coûteux.
2.3. Processus membranaires
Les procédés membranaires tels que la microfiltration, l’ultrafiltration, la nanofiltration, la dialyse, l’électrodialyse et l’osmose inverse sont des méthodes très prometteuses. La filtration membranaire peut être définie comme l’élimination ou la séparation des substances particulaires et colloïdales d’un liquide qui fonctionnent comme une barrière sélective et sont généralement de 0,0001-1,0 μm.
Plusieurs travaux ont porté sur le traitement des eaux usées laitières par des opérations membranaires. L’utilisation de la technologie de filtration membranaire offre un large éventail d’avantages pour le consommateur. La technologie membranaire est une nouvelle technologie non thermique, respectueuse de l’environnement, qui minimise les effets négatifs de l’augmentation de la température, tels que le changement de phase, la dénaturation des protéines et la modification des attributs sensoriels du produit.
2.4. Procédé électrochimique
L’électrolyse est la dégradation de substances organiques ou inorganiques à l’aide d’une charge électrique. Les réactions d’oxydation et de réduction se produisent dans une cellule électrolytique qui contient une anode et une cathode. Lorsque vous appliquez de l’électricité à la cellule, les ions négatifs migrent vers l’anode et les ions positifs vers la cathode, les cations sont réduits et les anions sont oxydés aux deux électrodes. Les procédés d’électrocoagulation, d’électroflottation et d’oxydation anodique sont quelques exemples utilisés pour le traitement des produits laitiers.
L’électrocoagulation est une méthode de traitement efficace et prometteuse qui a fait l’objet de nombreuses publications. Il a été démontré que cette méthode est particulièrement efficace pour une large gamme de polluants (métaux lourds, composés organiques, micro-organismes et divers autres). Pour cette raison, elle est considérée comme l’une des techniques d’assainissement de l’eau les plus prometteuses.
La CE est un traitement primaire des eaux usées qui consiste à induire l’électrogénération contrôlée de floculants/coagulants sur place, généralement sous l’application d’un courant constant. Il s’agit d’un processus complexe impliquant plusieurs phénomènes chimiques et physiques avec la formation de cations de fer ou d’aluminium à partir de la dissolution de la ou des anodes sacrificielles correspondantes et la production simultanée d’anions OH- par réduction cathodique de l’eau. Les hydroxydes métalliques polymères formés agissent comme d’excellents agents coagulants pour favoriser l’élimination des matières dissoutes, colloïdales ou en suspension, ce qui permet d’obtenir des pourcentages élevés d’élimination de la couleur et de la turbidité. La coagulation se produit principalement par déstabilisation, une fois que les cations métalliques se combinent avec les particules chargées négativement qui se déplacent vers l’anode par mouvement électrophorétique.
3. Conclusions
Le lait et les produits laitiers font partie des sources d’eaux usées industrielles qui entraînent une pollution importante des milieux aquatiques naturels. Les eaux usées proviennent généralement de la dilution du lait ou des produits laitiers. En outre, les détergents, les matériaux désinfectants, les huiles de machine et les fibres de tissu utilisées pour le nettoyage prennent place dans les eaux usées. La nature des effluents laitiers est légèrement alcaline, la température élevée, les odeurs rances désagréables, le goût amer ou médicinal, les dépôts durs et écailleux, etc. Lorsqu’ils sont éliminés sans traitement, ils peuvent avoir des effets négatifs sur la croissance, la reproduction et l’immunité des poissons dans les plans d’eau, des effets nocifs sur la croissance des micro-organismes bénéfiques et des plantes en raison de la diminution de la solubilité des micronutriments, de graves problèmes de santé et d’hygiène, l’eutrophisation.
Afin de traiter les eaux usées industrielles du lait et des produits laitiers, des systèmes très différents ont été développés dans différents pays du monde. Des facteurs tels que l’investissement initial et les coûts d’exploitation dans la sélection des technologies de traitement, la présence de personnel approprié pour l’entreprise et la nécessité de traitement pour assurer les règlements sont pris en compte.
L’utilisation de la technologie membranaire dans le traitement des eaux usées par traitement biologique a une histoire courte couvrant les 20-30 dernières années. Elle est dans un processus de développement rapide, car elle supprime de nombreux inconvénients des systèmes classiques. Grâce à leurs propriétés uniques, les procédés membranaires sont en passe de devenir un remède efficace pour la plupart des traitements des eaux usées. Ils peuvent être utilisés seuls ou avec d’autres systèmes de traitement des eaux usées. Les bioréacteurs à membrane offrent une séparation solide-liquide efficace, un rendement élevé des effluents, des installations de taille réduite et une faible production de boues.
Les méthodes de traitement reposant sur des substances chimiques (coagulation-floculation, oxydation-réduction, flottation, etc.) sont mises en œuvre pour traiter les matières organiques dans l’eau et les eaux usées, les matières solides, la turbidité, les métaux lourds et la couleur. L’efficacité du traitement est affectée par des facteurs tels que le paramètre à éliminer, la substance chimique utilisée, la durée de la détention, l’intensité du mélange ; la quantité de boue formée peut être supérieure ou inférieure à la substance chimique. Par rapport aux procédés biologiques, les avantages tels que la facilité de fonctionnement, l’élimination de la partie non dégradable de la matière organique, l’absence de modification de l’efficacité du traitement sont particulièrement privilégiés.
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