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Recyclage de l’eau dans l’industrie sucrière

Le sucre est un élément vital et d’une extrême importance pour les besoins de consommations des populations. Les plus grands producteurs de sucre dans le monde sont l’Inde, le Brésil, l’Europe, la Thaïlande et la chine. Ces producteurs à partir de la canne à sucres approvisionnent environ 70% des besoins mondiaux, le reste est issu majoritairement de la betterave sucrière.

L’eau dans l’industrie de la fabrication du sucre est incontournable, elle intervient dans le procédé d’extraction et clarification du jus sucré, de refroidissement, d’évaporation et de nettoyage des installations. Un système d’autosuffisance en eau est aujourd’hui mis en place dans de nombreux complexes de trituration à travers le monde, l’eau étant utilisée, traitée puis recyclée. Dans ces usines, le point focal étant la purification du saccharose, où le rôle primordial du procédé est assuré par l’eau.

Cette industrie, qui résulte soit du raffinage ou de la diffusion-extraction, génère cependant une eau chargée en matière organique et nécessite souvent un traitement de purification. Selon l’objectif du traitement, les éléments extractibles peuvent constituer à eux seuls une véritable valeur ajoutée de par leur nature hautement nutritive lorsqu’elle est destinée à l’alimentation du bétail ou à l’amendement des sols, ou encore à l’industrie pharmaceutique. Quant à l’eau purifiée, elle peut être recyclée dans le process et limite ainsi la dépendance vis-à-vis de l’approvisionnement externe. Le recyclage de l’eau dans l’industrie sucrière vise un triple objectif :

  • Protection de l’environnement
  • Préservation de la ressource hydrique
  • Valorisation des produits à valeur ajoutée

 

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Le raffinage du sucre repose sur l’élimination des impuretés de type sels minéraux, matières organiques et coloration. Son principe de fonctionnement est basé sur la succession des étapes suivantes :

  • Affinage (empattage ou dissolution et turbinage par centrifugation)
  • Clarification (Refonte ou dissolution dans une eau chaude pure, carbonatation puis filtration)
  • Décoloration par des résines échangeuses d’ions
  • Cristallisation dans des chaudières à températures 70-80°C

L’eau est omniprésente dans cette chaine de production, ses contenus sont variables, néanmoins maitrisables.

Une raffinerie peut donc être considérée comme gourmande en eau mais également polluante. D’après le Rapport mondial des Nations Unies sur la mise en valeur des ressources en eau de 2017, une tonne de sucre produite peut générer entre 4 à 18m3 d’eau usée [1].

Il en résulte des effluents à charge organique élevée avec des rapports DCO/DBO généralement inférieur à 2 et une coloration intense. Celle-ci provient des colorants libérés lors de l’étape de décoloration à l’issue de la régénération des résines anioniques.

Une saumure d’au moins 100g/L de sel est employée à pH alcalin afin de favoriser l’ionisation des colorants et leur solubilisation.

Les effluents sont donc caractérisés par de fortes turbidités, MES élevés, pH basiques et des matières oxydables comprenant des charges biodégradables, ce qui permet de dimensionner les installations d’épuration en tenant compte de ces paramètres. Cependant, le recyclage et la réutilisation de l’eau doivent motiver les procédures de traitement.

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La tendance doit être vers une sucrerie zéro effluent.

Dans les raffineries de sucre, le recyclage de la saumure utilisée pour la régénération des résines de décoloration est devenu un standard adopté par l’ensemble des industries sucrières. Le traitement est basé sur une combinaison des technologies membranaires : nanofiltration, osmose inverse et électrodialyse, quoique efficace pour restituer la concentration de 100g/L, elle reste néanmoins hautement énergivore comparativement à la combinaison Nanofiltration – évaporation qui nécessite 2729kwh/J contre 675 kwh/J pour un volume d’eau usée traitée de 67m3/J, des exemples existent dans de nombreux pays, notamment au Bahrein et en Italie [2].

Quant aux autres effluents, leur élimination est assujettie d’abord à l’achèvement de la séparation entre sels et composés organiques colorants avant l’entame du protocole classique basé sur la succession des traitements physico-chimiques et biologiques.

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La plupart des industries sucrières adoptent des traitements dans des étangs ou des traitements activés, de plus, certaines usines mettent en place des traitements de type [3] :

  • Aérobies
  • Anaérobies
  • Dénitrification
  • Epandage

Au préalable, le traitement physico-chimique précédant les traitements biologiques sont effectués :

  • Elimination des huiles et graisses
  • Egalisation ou Homogénéisation des effluents
  • Coagulation/floculation pour l’abattement des MES
  • Contrôle du pH par des additifs chimiques

Pour les eaux usées à forte concentration, le traitement anaérobie ou système à boues activées présente un certain nombre d’avantages par rapport au traitement aérobie. Ces systèmes anaérobies nécessitent moins d’énergie, génèrent beaucoup moins de boues et produisent du biogaz. Ils sont cependant, lents et ne fonctionnant que dans des domaines de pH et de températures précis. Les deux réacteurs anaérobies les plus utilisés sont le réservoir à liqueur mixte et le réacteur à flux ascendant. Toutefois, un bon fonctionnement du clarificateur est essentiel.

Les systèmes aérobies sont souvent utilisés lorsque les installations ne disposent pas de suffisamment d’espace pour les étangs. L’autre avantage, est le fonctionnement même à basse température lorsque l’activité bactérienne dans les étangs ralentit. La plupart des systèmes aérobies se composent de réservoirs ou de bassins équipés de mélangeurs permettant de meilleure oxygénation. Ce traitement est caractérisé par l’absence d’odeurs désagréable ou de produits inflammables. Les bassins de décantations fonctionnent en continu.

Le traitement par épandage nécessite à priori l’élimination du sel afin de conserver une meilleure texture des sols. Généralement un certain nombre d’analyses, notamment la mesure du TDS, l’azote, le phosphore et la DBO doivent être effectuées.

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La décoloration du sucre roux libère des composés tels que les colorants naturels (pigments phénoliques de bas poids moléculaires), les mélanines (polycondensation des produits phénoliques), Mélanoidines (colorants de poids moléculaires élevés) et produits de dégradation hexoses. Les traitements cités plus hauts permettent de les éliminer tout en générant des boues très riches en matières utiles pour les sols. Par ailleurs, des études ont montré la possibilité de produire des protéines unicellulaires par la bioconversion des eaux usées lors des traitements par épandage [4].

L’alimentation des chaudières à haute pression nécessite une eau de qualité très propre, celle-ci est obtenue par des membranes d’osmose inverse comme dans le cas de nombreuses usines [5].  Cette eau d’osmose inverse peut aussi bien être employée dans le process que dans les générateurs de vapeurs et turbines. Aussi, la technique d’osmose inverse semble être très compétitive pour la préconcentration du sirop de sucre avant évaporation [6,7], les techniques d’ultrafiltration et de nanofiltration sont également employées respectivement pour la régulation des flux et l’élimination des minéraux [8]. Des gains économiques importants sont obtenus grâce aux technologies membranaires dans l’industrie sucrière [9].

Références
[1] WWAP (Programme mondial pour l’évaluation des ressources en eau). 2017. Rapport mondial des Nations Unies sur la mise en valeur des ressources en eau 2017. Les eaux usées – Une ressource inexploitée. Paris, UNESCO.
[2] https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01478681/document
[3] Beet-Sugar Handbook, Mosen Asadi, WILEY-INTERSCIENCE, A JOHN WILEY & SONS, INC., PUBLICATION (2007)
[4] Chewapat SaejungPongsathorn Salasook, Environ Technol, 2020 Jan;41(1):59-70.
[5] https://www.waterworld.com/technologies/article/16213624/water-solutions-provider-to-set-up-ro-plant-at-india-sugar-mill
6] S.S. Madaeni, K. Tahmasebi and S.H. Kerendi, Sugar syrup concentration using reverse osmosis membranes, Eng. Life Sci., 4 (2004) 187–190
[7] S Redjeki et al 2018, Increase The Sugar Concentration of The Solution Sugar by Reverse Osmotic Membrane, J. Phys.: Conf. Ser. 953 012227
[8] M. Rafik et al. Membrane separation in the sugar industry, J. Chem. Pharm. Res., 2015, 7(9):653-658
[9] Saeed Gul, Michael Harasek, Applied Thermal Engineering, Volume 43, October 2012, Pages 128-133

 

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