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Paul GRARDEL Master 1 ACCIE Université du Littoral - Côté d’Opale PROJET BIBLIOGRAPHIQUE « L’OXYDATION CHIMIQUE POUR LE TRAITEMENT DES POLLUANTS ORGANIQUES »

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Paul GRARDEL Master 1 ACCIE

Université du Littoral - Côté d’Opale

PROJET BIBLIOGRAPHIQUE

« L’OXYDATION CHIMIQUE POUR LE TRAITEMENT DES POLLUANTS

ORGANIQUES »

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2

Table des Matières

INTRODUCTION ............................................................................................. 4

POLLUTION DE L’EAU ET TRAITEMENTS CONVENTIONNELS ............................ 5

1. LA POLLUTION DE L’EAU ................................................................................... 5

a) Molécules concernées ............................................................................. 5

b) Biodégradation ....................................................................................... 6

2. LES TRAITEMENTS CLASSIQUES ET LEURS LIMITES .................................................. 7

PROCEDES D’OXYDATION AVANCEE .............................................................. 8

1. INTRODUCTION ............................................................................................... 8

a) Le Radical •OH ......................................................................................... 8

b) Réactions du radical ................................................................................ 9

2. OXYDATION SONOCHIMIQUE ............................................................................ 11

3. METHODES ELECTROCHIMIQUES ....................................................................... 14

a) Oxydation anodique .............................................................................. 14

b) Electro-oxydation indirecte ................................................................... 15

c) Electro-Fenton ...................................................................................... 15

4. PROCEDES D’OXYDATION PHOTOCHIMIQUE AVANCEE ............................................. 17

a) Photo-catalyse hétérogène ..................................................................... 17

b) Photo-dégradation homogène ................................................................ 20

c) Réactions de Fenton photo-assistées ....................................................... 24

CONCLUSION ............................................................................................... 27

Bibliographie ...................................................................................................... 28

Glossaire ............................................................................................................. 29

ANNEXES ............................................................................................................ 30

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3

Table des Illustrations Figure 1 - Exemples de pesticides persistants (1ère génération) ................................................. 6 Figure 2 - Le traitement de l’eau avec utilisation de POA ......................................................... 7 Figure 3 - Potentiel oxydant de divers composés [3] ................................................................. 8 Figure 4 - Traitement des eaux en fonction de la DCO [4] ...................................................... 10 Figure 5 - Principaux POA ....................................................................................................... 11

Figure 6 - Mécanisme de formation des radicaux .................................................................... 12 Figure 7 - Mécanisme de formation du peroxyde d'hydrogène ................................................ 12 Figure 8 - Série de réacteurs de 1kW pour le traitement de réactions chimiques [7] .............. 13

Figure 9 - Schéma de principe de l’oxydation anodique [8] .................................................... 14 Figure 10 - Réaction électro-Fenton à 3 électrodes .................................................................. 16 Figure 11 - Système de traitement électrochimique [11] ......................................................... 16 Figure 12 - Niveaux énergétiques du TiO2 ............................................................................... 18

Figure 13 - Mécanisme de photo-catalyse hétérogène [12] ..................................................... 19 Figure 14 - Système UV/H2O2 ................................................................................................. 21

Figure 15 - Coûts de traitement par O3/UV et H2O2/UV [14] .................................................. 22 Figure 16 - Efficacité de POA dans la décoloration d'effluents de cafés [15] ......................... 23

Page 4: projet biblio

4

Introduction

Le cycle de l’eau a été grandement modifié par l’augmentation des

activités industrielles et agroindustrielles. Ces dernières génèrent une

multitude de produits chimiques (plus de 200 000) qui se retrouvent dans les

eaux par différentes voies. En conséquence, divers traitements sont mis en

place pour permettre de purifier l’eau de cette pollution chimique de manière

plus ou moins efficace. En effet, certains composés, notamment les grandes

molécules organiques, sont difficiles à éliminer et nécessitent la mise en place

de nouvelles méthodes de traitement.

Nous nous intéresserons donc, dans un premier temps, au système

classique de traitement de l’eau et à ses limites pour le traitement de ces

polluants organiques. Dans un second temps, nous étudierons les techniques

mises au point pour y parvenir à l’aide de méthodes d’oxydoréductions.

Page 5: projet biblio

5

Pollution de l’Eau et Traitements Conventionnels

1. La pollution de l’eau

La pollution des eaux issues de l’industrie ou de l’agriculture se traduit,

notamment, par l’accumulation de polluants biorécalcitrants et/ ou toxiques

(Composés Organiques Persistants) qui rendent inefficaces les traitements

biologiques classiques. Cette accumulation se fait à la fois de façon directe

(pollution à la source), mais également indirecte par le transport

atmosphérique à longue distance des molécules persistantes. Au final, les eaux

nécessitent un traitement important avant de pouvoir être rejetées par les

industries ou consommées comme eau de boisson.

a) Molécules concernées

Les principales sources de polluants biorécalcitrants sont les industries

(Phtalates issus de la production de PVC, PCB, dioxines, HAP,…) et les activités

agricoles (pesticides,…) ainsi que certains procédés de combustion qui peuvent

former des HAP ou des dioxines.

Les polluants organiques sont principalement constitués de cycles

aromatiques qui les rendent particulièrement stables. On peut, par exemple,

citer les Polluants Organiques Persistants (POP) définis par le protocole

d’Aarhus en Juin 1998 [1].

Page 6: projet biblio

chimiques.

prés

vivants pourraient être exposés.

prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD

permettent d’évalue

l’évolution du carbone ou de la DCO

dégradé à 60

sera considéré comme biorécalcitrant, comme c

organiques étudiés ici. [2]

1 OECD

2 DCO

La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques

chimiques.

prés

vivants pourraient être exposés.

De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa

prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD

permettent d’évalue

l’évolution du carbone ou de la DCO

dégradé à 60

sera considéré comme biorécalcitrant, comme c

organiques étudiés ici. [2]

OECD

DCO

La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques

chimiques.

présentes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes

vivants pourraient être exposés.

De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa

prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD

permettent d’évalue

l’évolution du carbone ou de la DCO

dégradé à 60

sera considéré comme biorécalcitrant, comme c

organiques étudiés ici. [2]

OECD : Organisation de coopération et de

: Demande Chimique en oxygène.

La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques

chimiques.

entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes

vivants pourraient être exposés.

De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa

prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD

permettent d’évalue

l’évolution du carbone ou de la DCO

dégradé à 60

sera considéré comme biorécalcitrant, comme c

organiques étudiés ici. [2]

Organisation de coopération et de

: Demande Chimique en oxygène.

La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques

chimiques.

entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes

vivants pourraient être exposés.

De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa

prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD

permettent d’évalue

l’évolution du carbone ou de la DCO

dégradé à 60

sera considéré comme biorécalcitrant, comme c

organiques étudiés ici. [2]

Organisation de coopération et de

: Demande Chimique en oxygène.

La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques

chimiques. Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants

entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes

vivants pourraient être exposés.

De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa

prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD

permettent d’évalue

l’évolution du carbone ou de la DCO

dégradé à 60-

sera considéré comme biorécalcitrant, comme c

organiques étudiés ici. [2]

Organisation de coopération et de

: Demande Chimique en oxygène.

La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques

Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants

entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes

vivants pourraient être exposés.

De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa

prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD

permettent d’évalue

l’évolution du carbone ou de la DCO

-70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il

sera considéré comme biorécalcitrant, comme c

organiques étudiés ici. [2]

Organisation de coopération et de

: Demande Chimique en oxygène.

Figure

La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques

Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants

entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes

vivants pourraient être exposés.

De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa

prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD

permettent d’évalue

l’évolution du carbone ou de la DCO

70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il

sera considéré comme biorécalcitrant, comme c

organiques étudiés ici. [2]

Organisation de coopération et de

: Demande Chimique en oxygène.

Figure

La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques

Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants

entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes

vivants pourraient être exposés.

De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa

prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD

permettent d’évalue

l’évolution du carbone ou de la DCO

70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il

sera considéré comme biorécalcitrant, comme c

organiques étudiés ici. [2]

Organisation de coopération et de

: Demande Chimique en oxygène.

Figure 1

b)

La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques

Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants

entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes

vivants pourraient être exposés.

De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa

prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD

permettent d’évaluer la biodégradabilité d’un composé, par mesure de

l’évolution du carbone ou de la DCO

70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il

sera considéré comme biorécalcitrant, comme c

organiques étudiés ici. [2]

Organisation de coopération et de

: Demande Chimique en oxygène.

1 - Exemples de pesticides persistants (1

b) Biodégradation

La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques

Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants

entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes

vivants pourraient être exposés.

De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa

prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD

r la biodégradabilité d’un composé, par mesure de

l’évolution du carbone ou de la DCO

70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il

sera considéré comme biorécalcitrant, comme c

organiques étudiés ici. [2]

Organisation de coopération et de

: Demande Chimique en oxygène.

Exemples de pesticides persistants (1

Biodégradation

La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques

Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants

entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes

vivants pourraient être exposés.

De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa

prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD

r la biodégradabilité d’un composé, par mesure de

l’évolution du carbone ou de la DCO

70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il

sera considéré comme biorécalcitrant, comme c

organiques étudiés ici. [2]

Organisation de coopération et de développement économiques

Exemples de pesticides persistants (1

Biodégradation

La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques

Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants

entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes

vivants pourraient être exposés.

De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa

prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD

r la biodégradabilité d’un composé, par mesure de

l’évolution du carbone ou de la DCO

70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il

sera considéré comme biorécalcitrant, comme c

développement économiques

Exemples de pesticides persistants (1

Biodégradation

La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques

Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants

entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes

vivants pourraient être exposés.

De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa

prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD

r la biodégradabilité d’un composé, par mesure de

l’évolution du carbone ou de la DCO

70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il

sera considéré comme biorécalcitrant, comme c

développement économiques

Exemples de pesticides persistants (1

Biodégradation

La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques

Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants

entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes

De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa

prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD

r la biodégradabilité d’un composé, par mesure de

l’évolution du carbone ou de la DCO

70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il

sera considéré comme biorécalcitrant, comme c

développement économiques

Exemples de pesticides persistants (1

Biodégradation

La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques

Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants

entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes

De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa

prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD

r la biodégradabilité d’un composé, par mesure de

l’évolution du carbone ou de la DCO

70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il

sera considéré comme biorécalcitrant, comme c

développement économiques

6

Exemples de pesticides persistants (1

Biodégradation

La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques

Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants

entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes

De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa

prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD

r la biodégradabilité d’un composé, par mesure de

l’évolution du carbone ou de la DCO2 au cours de la manipulation.

70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il

sera considéré comme biorécalcitrant, comme c

développement économiques

Exemples de pesticides persistants (1

Biodégradation

La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques

Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants

entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes

De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa

prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD

r la biodégradabilité d’un composé, par mesure de

au cours de la manipulation.

70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il

sera considéré comme biorécalcitrant, comme c

développement économiques

Exemples de pesticides persistants (1

La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques

Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants

entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes

De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa

prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD

r la biodégradabilité d’un composé, par mesure de

au cours de la manipulation.

70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il

sera considéré comme biorécalcitrant, comme c

développement économiques

Exemples de pesticides persistants (1

La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques

Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants

entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes

De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa

prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD

r la biodégradabilité d’un composé, par mesure de

au cours de la manipulation.

70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il

sera considéré comme biorécalcitrant, comme c

Exemples de pesticides persistants (1

La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques

Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants

entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes

De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa

prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD

r la biodégradabilité d’un composé, par mesure de

au cours de la manipulation.

70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il

sera considéré comme biorécalcitrant, comme c

Exemples de pesticides persistants (1

La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques

Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants

entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes

De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa

prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD

r la biodégradabilité d’un composé, par mesure de

au cours de la manipulation.

70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il

sera considéré comme biorécalcitrant, comme c’es

Exemples de pesticides persistants (1ère

La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques

Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants

entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes

De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa

prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD

r la biodégradabilité d’un composé, par mesure de

au cours de la manipulation.

70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il

est

ère génération)

La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques

Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants

entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes

De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa

prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD

r la biodégradabilité d’un composé, par mesure de

au cours de la manipulation.

70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il

le

génération)

La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques

Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants

entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes

De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa

prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD

r la biodégradabilité d’un composé, par mesure de

au cours de la manipulation.

70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il

le cas pour les polluants

génération)

La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques

Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants

entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes

De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa

prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD

r la biodégradabilité d’un composé, par mesure de

au cours de la manipulation.

70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il

cas pour les polluants

génération)

La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques

Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants

entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes

De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa

prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD

r la biodégradabilité d’un composé, par mesure de

au cours de la manipulation.

70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il

cas pour les polluants

La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques

Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants

entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes

De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa

prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD

r la biodégradabilité d’un composé, par mesure de

au cours de la manipulation.

70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il

cas pour les polluants

La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques

Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants

entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes

De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa

prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD

r la biodégradabilité d’un composé, par mesure de

au cours de la manipulation.

70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il

cas pour les polluants

La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques

Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants

entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes

De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa

prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD

r la biodégradabilité d’un composé, par mesure de

au cours de la manipulation. Un produit

70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il

cas pour les polluants

La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques

Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants

entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes

De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa

prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD

r la biodégradabilité d’un composé, par mesure de

Un produit

70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il

cas pour les polluants

La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques

Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants

entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes

De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa

prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD

r la biodégradabilité d’un composé, par mesure de

Un produit

70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il

cas pour les polluants

La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques

Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants

entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes

De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa

prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD

r la biodégradabilité d’un composé, par mesure de

Un produit

70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il

cas pour les polluants

La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques

Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants

entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes

De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa

prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD1

r la biodégradabilité d’un composé, par mesure de

Un produit

70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il

cas pour les polluants

La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques

Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants

entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes

De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa

1

r la biodégradabilité d’un composé, par mesure de

Un produit

70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il

cas pour les polluants

Page 7: projet biblio

7

2. Les Traitements Classiques et leurs Limites

Divers modes de traitements existent déjà pour la dépollution des eaux

usées.

Figure 2 - Le traitement de l’eau avec utilisation de POA

Les traitements biologiques basiques s’effectuent de la manière suivante :

Prétraitement : Dégrillage des déchets imposants (branches, plastiques,…)

Traitement Primaire : Décantation (formation de boues primaires contenant 60%

des MES3)

Traitement Secondaire : (Dé)nitrification, aération.

Traitement Tertiaire : déphosphoration, traitement bactériologique.

Cependant, les méthodes classiques dites « biologiques » ne permettent

que d’éliminer efficacement les composés biodégradables. Un problème se

pose donc pour le traitement des eaux usées non biodégradables.

3 MES : Matière en Suspension

Page 8: projet biblio

8

Procédés d’Oxydation Avancée

1. Introduction

a) Le Radical •OH

Les procédés d’oxydation avancée (POA) sont une alternative intéressante

pour le traitement des eaux usées contenant des substances non

biodégradables ainsi que pour la purification des eaux de boisson.

Bien qu’il existe différents POA, ils ont tous pour point commun la

production de radicaux •OH. Ces derniers sont des espèces extrêmement

réactives, qui attaquent la majeure partie des molécules organiques : leur

potentiel oxydant est important. [3]

Figure 3 - Potentiel oxydant de divers composés [3]

Page 9: projet biblio

9

b) Réactions du radical

Les réactions d’oxydation utilisant le radical •OH et les composés organiques

(RH ou PhX), en solution aqueuse, peuvent être classées selon leur caractère de

la façon suivante :

• Suppression de l’hydrogène

•OH + RH � R

• + H2O

• Réaction d’addition

•OH + PhX � HOPhX

� Transfert d’électron

•OH + RH � [R-H]

+ • + HO

-

Exemples d’oxydation de polluants :

Phenol

Tetrachlorure de carbone

Quinoline

Page 10: projet biblio

10

Ces méthodes s’appliquent cependant aux milieux ayant une demande

chimique en oxygène (DCO) relativement faible (≤ 5 g/l). En effet les taux

supérieurs de DCO demandent une utilisation trop importante de réactifs

couteux. [4]

Figure 4 - Traitement des eaux en fonction de la DCO [4]

Les procédés d’oxydation avancée sont classés dans différents types,

selon la phase réactive (homogène, hétérogène) ou la méthode utilisée pour

générer les radicaux •OH (chimique, électrochimique, sonochimique ou

photochimique). Les principales méthodes utilisées sont montrées dans la

figure 5 et seront décrites dans la suite du rapport.

Page 11: projet biblio

11

Figure 5 - Principaux POA

2. Oxydation sonochimique

Les Techniques d’Oxydation Sonochimique (TOS) utilise les ondes

ultrasoniques pour produire un milieu oxydant. Au sein de ce dernier se

retrouvent des microbulles et des régions supercritiques dans la phase aqueuse

par cavitation4.

Les ultrasons sont des ondes à des fréquences allant de 20KHz à 10Mhz,

inaudibles pour l’être humain. Lorsqu’un liquide est exposé à ces vibrations de

haute fréquence, des changements physiques et chimiques résultants de la

cavitation ont lieu. La cavitation est la formation, le grossissement et

l’effondrement soudain (implosion) de bulles de gaz microscopiques au sein du

liquide. [5]

L’effondrement de ces bulles conduit à des températures locales

étonnement hautes (2000 à 5000°C). Ces conditions extrêmes, bien que très

courtes, conduisent à la formation d’espèces réactives. En effet, la vapeur

d’eau et le dioxygène O2 présents au sein des microbulles subissent une

dissociation thermique pour devenir des radicaux •H,

•OOH et

•OH ainsi que des

atomes O. De l’eau oxygénée H2O2 est formée par recombinaison des radicaux

hydroxyles et hydroperoxyles en dehors des microbulles.

4 Cavitation : Décrit la naissance et l'oscillation radiale de bulles de gaz et de vapeur dans un liquide soumis à une dépression.

Page 12: projet biblio

12

Figure 6 - Mécanisme de formation des radicaux

Figure 7 - Mécanisme de formation du peroxyde d'hydrogène

Il a été montré que la dégradation des polluants par oxydation

sonochimique dépendait des propriétés chimiques et physiques de ces

derniers [6] :

� Les composés hydrophiles et non volatils sont oxydés par les radicaux

formés (•OH,

•OOH,…) en pleine solution ou à l’interface liquide-bulle

en fonction de leur concentration.

� Les composés hydrophobes et volatils sont détruits majoritairement

par décomposition pyrolytique dans la région chaude entourant les

bulles ou dans la phase gazeuse résultant de l’implosion des bulles.

Les molécules d’eau H2O étant dissociées dans cette région.

Page 13: projet biblio

13

Applications :

Les applications concrètes de la sonochimie existent déjà

(desagglomeration, accélération de réaction,…). Les réacteurs sonochimiques

existant sont cependant de petite taille, il est donc nécessaire de les utiliser en

série pour permettre le traitement d’un flux important de liquide.

Figure 8 - Série de réacteurs de 1kW pour le traitement de réactions chimiques [7]

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14

3. Méthodes électrochimiques

Le développement des procédés d’oxydation électrochimique avancée

(POEA) a été important ces dernières années. Les techniques mises en place

sont l’oxydation anodique et l’électro-oxydation indirecte avec génération de

H2O2. Elles peuvent avoir lieu simultanément et permettent de terminer la

minéralisation des polluants en CO2, H2O ou ions inorganiques.

a) Oxydation anodique

Dans l’oxydation anodique, des radicaux •OH sont adsorbés à la surface

d’une anode survoltée suite à l’oxydation de l’eau :

Ce radical réagira avec les polluants de manière habituelle, comme présenté

en II.1.b). L’oxydation peut être réalisée dans une cellule à un compartiment

commun ou dans le compartiment anodique d’une cellule divisée. L’anode

utilisée est en platine Pt, dopée ou non au PbO2, SnO2 ou IrO2. Ces conditions

influent sur la minéralisation des molécules aromatiques. [8, 9]

Figure 9 - Schéma de principe de l’oxydation anodique [8]

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b) Electro-oxydation indirecte

Les méthodes d’électro-oxydation indirecte, pour le traitement des eaux,

consistent à produire en continu un oxydant fort, comme ClO- ou H2O2, dans la

solution. Ce dernier est produit par la réduction du dioxygène O2 sur une

cathode en graphite, carbone, mercure ou à diffusion d’O2. Les cathodes à

diffusion de gaz étant plus adaptées au traitement d’effluents. [10]

En milieu acide, la réaction de formation de H2O2 est la suivante :

Le ClO- est quant à lui obtenu par oxydation du Cl

- en milieu alcalin. Ces

radicaux sont cependant peu adaptés au traitement de polluants

biorécalcitrants. Il est donc courant de coupler la génération de H2O2 par

électro-oxydation à une méthode électro-Fenton qui permettra de les

transformer en radicaux •OH très réactifs.

c) Electro-Fenton

Après génération du H2O2, son pouvoir d’oxydation peut être amélioré

par addition d’une quantité catalytique de Fe2+

suivant la réaction de Fenton :

Cette réaction est effectuée au cours de la formation de H2O2, dans une

cellule à deux ou trois électrodes. Dans le cas d’une utilisation de trois

électrodes, la solution est saturée en O2 par barbotage. L’utilisation de deux

électrodes avec une anode à diffusion d’O2 permet d’oxyder les espèces à la

fois par oxydation anodique et par électro-Fenton.

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Figure 10 - Réaction électro-Fenton à 3 électrodes

Applications :

Figure 11 - Système de traitement électrochimique [11]

Les systèmes de traitement par électro-Fenton existent déjà. Les recherches

actuelles concernent surtout l’optimisation des conditions opératoires (pH,

flux,…) en fonction des polluants à traiter.

ELECTRODES

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4. Procédés d’oxydation photochimique avancée

Ces procédés sont caractérisés par un mécanisme radicalaire libre initié

par l’interaction des photons issus d’une énergie lumineuse avec les molécules

présentes en solution ou avec un catalyseur. Les procédés d’oxydation

photochimique avancée les plus utilisé peuvent être divisés en 3 principaux

groupes :

(a) La photo-catalyse hétérogène,

(b) La photo-dégradation homogène,

(c) Le procédé photo-Fenton.

Ces techniques sont décrites ci-dessous.

a) Photo-catalyse hétérogène (TiO2/UV)

En 1972, Fujishima démontra le phénomène de décomposition

photocatalytique de l’eau sur une électrode de TiO2 par action de la lumière.

Depuis, le phénomène a été utilisé dans la dégradation de polluants tels que les

phénols, les PCB, les alcools ou les pesticides.

Plus généralement, la photo-catalyse hétérogène est basée sur

l’irradiation d’un catalyseur semi-conducteur qui peut être photoexcité pour

former des sites électro-donneurs (réducteurs) et électro-accepteurs

(oxydants). On le qualifie d’hétérogène à cause des 2 phases actives (solide et

liquide) qui le constituent.

Le catalyseur le plus utilisé reste le TiO2. Il est relativement stable face à

la corrosion chimique et lumineuse et peu cher.

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La séparation entre bande de valence (VB) et bande de conduction

(CV) du TiO2 est dépassée par l’énergie des photons solaires. Les énergies de VB

et CV sont estimées à +3,1 et -0,1 Volts, ce qui correspond à une différence de

3,2 Volts et une absorption dans le proche UV (λ<387 nm).

La première étape du mécanisme consiste donc en l’absorption d’un

rayonnement UV qui génère des paires électrons/cases vides (e-CB et h

+VB) sur

les bandes de conduction et de valence.

Figure 12 - Niveaux énergétiques du TiO2

La réaction associée à ce mécanisme est la suivante :

h+

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19

Elle est ensuite suivie par l’oxydation des espèces en solution (R, H2O, HO-). On

peut synthétiser le mécanisme complet de la manière suivante :

Figure 13 - Mécanisme de photo-catalyse hétérogène [12]

La dégradation d’un polluant par photo-catalyse peut être améliorée par ajout

de H2O2, qui est meilleur accepteur d’électrons qu’O2. La réaction entre H2O2 et

l’électron de la bande de conduction est la suivante :

Applications :

La photo-catalyse hétérogène est une méthode déjà utilisée dans le domaine

des surfaces autonettoyantes. Il est en effet possible de réaliser une surface en

TiO2 qui, après contact avec des composés récalcitrants, est nettoyée par

simple action de la lumière et de l’eau, les composés étant minéralisés en

substances hydrolysables.

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20

b) Photo-dégradation homogène

La photo-dégradation en phase homogène pour le traitement d’effluents

aqueux concerne principalement deux méthodes : UV/H2O2 et UV/O3. La photo-

dégradation des polluants par rayonnement UV peut se passer de deux

manières. D’une part, la dégradation directe des composés par excitation du

polluant par l’UV, d’autre part, la photo-oxydation dans laquelle le

rayonnement conduit à un processus d’oxydation initié par les radicaux •OH.

Les dernières techniques mises en place, sur le principe de la photo-

oxydation, font appel à un oxydant (H2O2, O3, Fe3+

/H2O2) qui attaque le polluant

afin de le minéraliser.

UV/H2O2 :

Le système de photo-oxydation UV/H2O2 a été appliqué pour la première

fois en 1975. Le mécanisme supposé est toujours le même et suit la réaction

suivante :

La molécule de H2O2 se casse sous l’action du rayonnement UV pour former

deux radicaux •OH. Ceci se passe pour une longueur d’onde inférieure à 300nm

et des concentrations en H2O2 de l’ordre de 10-1

mol/L. Ces derniers réagissent

ensuite comme indiqué en I.1.b) Le peroxyde d’hydrogène peut également

subir une dismutation : [13]

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Applications :

Le traitement par la technique UV/H2O2 est une solution reconnue et

déjà expérimentée. Le coût de cette méthode est à prendre en compte, du fait

de la consommation parfois importante en H2O2. De plus, le peroxyde

d’hydrogène n’absorbe qu’à une longueur d’onde inférieure à 300nm ce qui

exclu l’utilisation des rayons solaires et donc la nécessité d’utiliser des lampes

UV.

Figure 14 - Système UV/H2O2

Cependant, les concentrations en H2O2 et Fe3+

utilisées ont un impact

important sur la durée de dégradation des polluants. C’est pourquoi, il est

préférable désormais de se pencher sur les méthodes dites photo-Fenton, qui

permettent d’accélérer la réaction. [13]

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UV/O3 :

L’ozone peut également être utilisé en tant qu’oxydant. Son avantage est

qu’il est plus écologique et son utilisation ne forme aucun résidu. En revanche,

ses réactions sont souvent plus lentes qu’avec d’autres oxydants, notamment

avec les polluants considérés comme « réfractaires à l’ozone ».

La principale utilisation de l’O3 revient en fait à le photolyser en H2O2

dans le milieu aqueux pour ensuite reprendre le fonctionnement d’un système

UV/H2O2 :

On peut également la coupler à des techniques H2O2/UV, Fe3+

/UV ou Cu(I)/UV

afin « d’activer » son potentiel oxydant. [14]

Cette technique, moins couteuse est donc obligatoirement plus lente, et

l’absorption est également limitée aux longueurs d’ondes inférieures à 300nm.

Figure 15 - Coûts de traitement par O3/UV et H2O2/UV [14]

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23

Il est utile de comparer l’efficacité des méthodes en fonction de l’objectif,

comme c’est le cas dans l’exemple ci-dessous :

Figure 16 - Efficacité de POA dans la décoloration d'effluents de cafés [15]

Dans ce dernier, la technique photo-Fenton UV/Fe

3+/H2O2 est de loin la plus

efficace. Nous allons finir cet exposé en décrivant cette dernière.

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c) Réactions de Fenton photo-assistées

Le principe est le même que celui décrit précédemment pour l’électro-

fenton. Le seul changement se situe au niveau de la source de H2O2 et de

l’amélioration de la vitesse par les rayons UV/Visibles. Le mécanisme de

réaction est repris ci-dessous : [16]

L’effet du rayonnement sur la vitesse de dégradation des polluants est dû à

la régénération photochimique des ions ferreux Fe2+

par réduction des ions

ferriques Fe3+

. Les nouveaux ions Fe2+

peuvent réagir de nouveau avec le H2O2

restant pour générer un nouveau radical •OH et ainsi de suite. Le fer est donc

un catalyseur de la réaction : [17]

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25

Un autre avantage, à la différence des méthodes précédentes, est la

sensibilité aux rayonnements jusqu’à 600nm, qui constituent 35% des

radiations solaires.

Applications :

Les procédés photo-Fenton ont déjà été utilisés avec succès dans le

traitement de polluants tels que les phénols, les pesticides ou les alcènes. Les

recherches très avancées à son sujet nous permettent de connaître l’influence

de plusieurs paramètres sur la cinétique de la réaction. Il est bon de connaître

leur influence pour pouvoir maitriser la réaction ou pour savoir si la technique

est applicable dans certains milieux. Trois de ces paramètres sont décris ci-

dessous :

Effet du pH

L’activité catalytique maximum lors des réactions photo-Fenton se situe à

un pH de 2,8. Le pH influe sur la génération des radicaux •OH et donc sur

l’efficacité de l’oxydation. A des pH supérieurs à 4, le fer précipite sous forme

d’hydroxydes, ce qui diminue la part d’ions disponibles.

La nécessité d’acidifier les eaux usées à traiter est un obstacle majeur à

l’application de la méthode photo-Fenton en milieu industriel.

Effet de la concentration en H2O2

La hausse de la concentration de peroxyde d’hydrogène augmente la

quantité de radicaux •OH produits jusqu’à un certain point. Au-delà, l’auto-

décomposition du H2O2 et la recombinaison des •OH entraine une baisse de

rendement.

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Effet de la concentration en Fer

Comme pour le H2O2, le rendement de la réaction ne suit pas linéairement

la concentration en fer. Cela est dû à la turbidité du milieu, obtenue avec de

fortes concentrations de fer, qui empêche le passage des rayonnements. Il peut

également y avoir recombinaison du Fe2+

avec les radicaux •OH, le fer agit alors

comme un poison de la réaction.

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Conclusion

Nous avons vu plusieurs méthodes oxydatives de traitement des polluants

biorécalcitrants, ayant chacune un niveau de développement plus ou moins

poussé. La plus évoluée et efficace reste l’oxydation par réaction de Fenton

photo-assistée, mais des obstacles l’empêchent encore de devenir une

méthode applicable de manière rentable au niveau industriel. Outre la

nécessité d’un pH acide, le principal obstacle à la méthode photo-Fenton réside

dans le fait que le catalyseur (fer) doit se trouver en solution. Il est cependant

compliqué et cher de l’éliminer une fois l’oxydation des polluants terminée. En

effet, la teneur en fer dans l’eau est limitée entre 2mg/L et 20mg/L en fonction

de sa destination.

Le développement de catalyseur de Fenton sur des supports inertes est

devenu un sujet très demandé pour supprimer le problème de séparation

fer/eau après traitement. Certaines pistes sont encore en cours de

développement, comme les membranes perfluorées ou les copolymères

polyéthyléniques.

Enfin, d’autres pistes sont explorées sur des méthodes hétérogènes photo-

assistées sur le fer (fer zéro, oxydes, …) [18].

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28

Bibliographie [1] Annexes du Protocole à la Convention sur la pollution atmosphérique transfrontière à longue distance,

relatif aux polluants organiques persistants. Commission Economique des Nations Unies pour l'Europe

(CEE-NU), Juin 1998. Pages 19-23.

[2] «Helio-Photo-Fenton enhancement of the biodegradability of biorécalcitrants wastewater: Physico-

chemical and technical aspects». Siméon KENFACK. Ecole polytechnique fédérale de Lausanne. Thèse n°

3550 (2006). Page 15.

[3] Handbook on Advanced Photochemical Oxidation Processes. Cincinnati, Ohio 45268, U.S. Environmental

Protection Agency. 1998. Page 1-1

(Consultable sur http://www.epa.gov/nrmrl/pubs/625r98004/625r98004.pdf )

[4] Advanced oxidation processes (AOP) for water purification and recovery, Andreozzi R, Caprio V, Insola

A,Marotta R, 1999. Catal. Today 53 (1). Pages 51-59.

[5] Application of ultrasonic irradiation for the degradation of chemical contaminants in water. Hoffmann

M.R, Hua I, Höchemer R, 1996. Ultrason. Sonochem. 3 (3).

[6] Sonochemical degradation of carbon tetrachloride in aqueous solution at two frequencies: 20 kHz and

500 kHz. Francony A, Pétrier C. 1996. Ultrason. Sonochem. 3 (2).

[7] Hielscher - Ultrasound Technology. www.hielscher.com, 20 décembre 2008.

[8] Olive mill wastewater treatment by anodic oxidation with parallel plate electrodes. Panizza M, Cerisola G.

2006. Water. Res. 40 (6).

[9] Anodic oxidation of phenol for wastewater treatment. Comniellis C, Pulgarin C. 1991. Appl. Electrochem.

21 . Pages 703-708.

[10] Aniline degradation by Electro-Fenton and peroxi-coagulation processes using a flow reactor for

wastewater treatment. Brillas E, Casado J. 2002. Chemosphere. 47 (3).

[11] Electro-Fenton as a feasible advanced treatment process to produce reclaimed water. Duràn Moreno A.

http://femisca.org/publicaciones/4thWastewater/Paper142-DuranA_MX.pdf, 21 décembre 2008.

[12] Destruction of Organic Contaminants by TiO2 Photocatalysis Progress Report. Stride A.

http://www.arenanetwork.org/Publications/LTCS/TIO2.aspx, 21 décembre 2008.

[13] Influence of H2O2 and Fe(III) in the photodegradation of nitrobenzene. Rodriguez M, Kirchner A,

Contreras S. 2000. J. Photochem. Photobiol. A. 133 (1-2).

[14] O3/H2O2 treatment of methyl-tert-butyl ether (MTBE) in contamined waters. Safarzadeh-Amiri A. 2001.

Water. Res. 35 (15).

[15] UV light assisted decolorization of dark brown colored coffee effluent by photo-Fenton reaction.

Tokumura M, Ohta A, Znad H. 2006. Water. Res. 40 (20).

[16] Degradation kinetics and mechanisms of phenol in photo-Fenton process. He F, Lei L C. 2003. J. Zhejiang

Univ. Sci. 5 (2).

[17] Photolysis of Fe (III)-hydroxy complexes as sources of OH radicals in clouds, fog and rain. Faust B, Hoigné

J. 1990. Atmos. Environ. 24A (1).

[18] Sensitized degradation of chlorophenols on iron oxides induces by visible light. Comparison with

titanium oxide. Bandara J. Mielczarski J A. 2001. Appl. Catal. B. 34 (4)

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29

Glossaire

AOP / POA : Procédés d’Oxydation Avancée.

Biodégradabilité : Capacité d'une molécule à être dégradée biologiquement c'est-à-dire par

l'action d'organismes biologiques. La détermination du taux de biodégradabilité

nécessite des mesures en laboratoire ou en milieu naturel selon trois catégories de test :

- Test de Sturm : test de laboratoire en milieu liquide. Conditions bien

maîtrisées.

- Test de simulation en laboratoire, en milieu liquide ou solide. Conditions

moins bien maîtrisées.

- Test in situ sur sol et compost. Conditions non maîtrisées.

DCO : Demande chimique en oxygène. Consommation d’oxygène par les oxydants forts pour

oxyder les substances organiques.

HAP : Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques.

PCB : PolyChloro Biphényles.

PVC : Polychlorure de Vinyle.

UV : Ultra Violet. Rayonnement lumineux compris entre 10 et 400 nm.

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30

Annexes

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Annexe 1 Comparaison de l’oxydation de pesticides entre TiO2/UV et photo-Fenton

Source : Photocatalytic degradation of EU priority substances : A comparison between

TiO2 and Fenton plus photo-Fenton in a solar pilot plant. Maldanado MI. 2007. J. Photoch.

Photobio. A. 185. Pages 357-359.

Page 32: projet biblio

32

Annexe 2 Comparaison de la vitesse d’oxydation du 4-chlorophenol entre O3/UV, H2O2/UV, TiO2/UV et

photo-Fenton

Source : UV-O3, UV-H2O2, UV-TiO2 and the photo-Fenton reaction - Comparison of

advanced oxidation processes for wastewater treatment. Ruppert G. 1994. Chemosphere.

28 (8).

Abstract

Results of the photochemical mineralization of 4-chlorophenol (4-CP) and of a wastewater from dyehouse industry by the methods UV/O3, UV/H2O2, UV/TiO2 and UV/H2O2/Fe2+ (photo-Fenton reaction) are reported and compared. Under illumination with a 150 W high pressure mercury lamp, TOC-degradation efficiency for 4-CP had the following order:

UV/H2O2/Fe2+ > UV/O3 > UV/H2O2 = UV/TiO2

Complete decolorization of the dye waste occurred within 20 minutes with ozone. A mineralization grade of approximately 75% was reached after 90 minutes with the photo-Fenton reaction and after 150 minutes with UV/ozone. The combinations UV/TiO2 and UV/H2O2 were found to be less efficient for bleaching and degradation of the dye waste. Furthermore, a novel combination for wastewater treatment, UV/Fe2+/O3, was investigated. Addition of Fe2+ to the UV/ozone process increased the mineralization rate of 4-CP while no significant effect on dye waste degradation could be observed.

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Résumé :

Ce projet bibliographique présente un état des lieux des différentes

techniques existantes dans le domaine du traitement des polluants

persistants en phase aqueuse par procédés d’oxydations avancées.

Mots Clés :

Procédé d’oxydation avancée – Fenton – Polluant

Abstract:

This document makes the state of various techniques used in

biopersistent wastewater treatment, by advanced oxidation

processes.

Keywords:

Advanced oxidation process – Fenton - pollutant