Gestion efficace de l'eau et contrôle de la pollution dans les aciéries modernes

L'eau est une ressource indispensable à la production de fer et d'acier dans une aciérie. Longtemps considérée comme abondante et bon marché, elle est devenue un enjeu majeur face à la raréfaction des ressources en eau douce due au déséquilibre croissant entre disponibilité et consommation. L'accès à une eau propre et sûre représente aujourd'hui l'un des principaux défis de la société moderne.

Contexte : une industrie confrontée à la contrainte hydrique

La demande en eau ne cesse d'augmenter sous l'effet de trois facteurs : (i) la croissance démographique et la migration vers des zones sujettes à la sécheresse, (ii) le développement industriel rapide et l'augmentation de la consommation d'eau par habitant, et (iii) le changement climatique modifiant les régimes pluviométriques dans les zones peuplées. L'industrie sidérurgique entre ainsi dans une ère de contrainte hydrique. Parallèlement, les réglementations environnementales se sont durcies ces trois dernières décennies, poussant l'industrie à revoir sa stratégie hydrique vers une réduction de la consommation d'eau douce.

Gestion de l'eau : un défi pour la durabilité

La disponibilité et la qualité de l'eau douce constituent des enjeux majeurs pour la direction des aciéries, qui doit améliorer la durabilité du cycle de production. Comme l'acier, l'eau peut être réutilisée et recyclée. Cependant, l'augmentation du recyclage, après nettoyage et refroidissement, peut dégrader la qualité de l'eau. Les aciéries doivent donc améliorer continuellement leurs technologies de traitement pour réduire leur consommation. Les défis liés à l'eau (disponibilité, pénurie saisonnière, concurrence avec d'autres usagers) dépendant de l'implantation locale, une approche sur mesure est essentielle. Le cycle de vie de l'eau est illustré à la Figure 1.

Figure 1 : Le cycle de vie de l'eau

Consommation et réutilisation de l'eau en aciérie

Une aciérie intégrée utilise de grandes quantités d'eau, mais la consommation nette reste faible car la majeure partie est réutilisée ou restituée à la source. Environ 90 % de l'eau (88 % en moyenne dans une aciérie intégrée, 94 % dans une aciérie à four à arc électrique) est rejetée après nettoyage et/ou refroidissement, souvent réutilisée par d'autres services. L'eau non consommée est nettoyée, refroidie et restituée au milieu naturel, fréquemment plus propre qu'au prélèvement.

Une aciérie intègre de nombreux processus, de la préparation des matières premières au laminage des produits finis, tous consommateurs d'eau. Lorsqu'elle est utilisée, l'eau se charge en polluants à des concentrations variables. Les besoins en eau varient considérablement entre les usines, de 20 à 150 m³ par tonne d'acier brut. La consommation nette (prélèvement moins rejet) se situe généralement entre 1,5 et 4 m³ par tonne d'acier brut, selon les installations de traitement et de recirculation.

Usages de l'eau dans une aciérie intégrée

L'eau douce sert au refroidissement, à la suppression de poussières, au nettoyage, au contrôle thermique (traitements thermiques), au transport de déchets (cendres, boues, calamines), et à d'autres usages. Elle est essentielle à certains procédés : ajustement de l'humidité du mélange de coke, pelletisation du mélange de sinter, fabrication de pellets verts pour les pellets de minerai de fer, production de vapeur et d'énergie, granulation du laitier de haut fourneau.

L'utilisation massive d'eau génère d'importants volumes d'eaux usées à traiter avant rejet. Toute amélioration technologique du refroidissement, même minime en pourcentage, peut économiser d'énormes volumes d'eau et réduire l'empreinte hydrique. Il est crucial de rechercher des technologies minimisant la consommation d'eau dans l'industrie sidérurgique.

Empreinte hydrique et stratégies de gestion

L'empreinte hydrique, concept introduit par Hoekstra, quantifie l'appropriation d'eau douce, incluant les usages indirects le long des chaînes d'approvisionnement. Les stratégies de gestion de l'eau permettent de récupérer, réutiliser et recycler l'eau, générant des économies substantielles en réduisant les prélèvements et les volumes de rejet. La gestion de l'eau dans une aciérie intégrée dépend principalement des conditions locales, de la disponibilité de l'eau et des exigences réglementaires.

La gestion durable de l'eau est devenue un pilier de l'acier durable. La direction doit l'évaluer constamment pour optimiser son utilisation, sa conservation et sa réutilisation. L'augmentation du recyclage et l'utilisation en cascade (d'une qualité supérieure vers une qualité inférieure) réduisent considérablement le prélèvement et la consommation. Toutefois, il faut évaluer l'éventuelle augmentation de la consommation d'énergie avant d'implémenter un système de réutilisation.

Approche holistique et compromis énergie-eau

La réutilisation est le moyen le plus efficace de réduire les prélèvements, mais elle implique nettoyage et refroidissement entre chaque usage. Certains traitements, comme le refroidissement, consomment beaucoup d'énergie et augmentent l'évaporation, donc la consommation nette d'eau. Ces processus entrent souvent en conflit avec les objectifs de réduction énergétique (émissions de CO₂ accrues). Une évaluation intégrée, prenant en compte tous les aspects environnementaux, est indispensable.

L'efficacité énergétique est donc cruciale dans la gestion de l'eau. Les mesures de réduction de l'eau doivent s'accompagner de pompes à haut rendement et de récupération de chaleur. Les pompes efficientes réduisent l'énergie nécessaire à l'extraction, au traitement et à la circulation. L'efficacité de l'usage de l'eau doit considérer la consommation réelle (différence entre prélèvement et rejet de qualité équivalente ou supérieure), la disponibilité et les impacts sur les autres ressources (énergie). La réutilisation de l'eau dans une industrie à haute température peut paradoxalement augmenter la consommation.

Facteurs influençant la consommation et enjeux majeurs

La consommation d'eau varie largement selon : (i) la disponibilité de l'eau, (ii) la technologie employée, (iii) l'âge et l'état de l'usine et des équipements, (iv) les types de procédés de production, et (v) les procédures d'exploitation. Trois facteurs sont déterminants pour une gestion efficace : (i) la qualité de l'eau d'appoint, (ii) les conditions climatiques du site, et (iii) les exigences réglementaires.

Les principaux enjeux liés à l'eau sont : (i) la qualité de l'eau de processus requise, (ii) la qualité des eaux usées, (iii) le recyclage et la minimisation de la consommation, (iv) les polluants dans l'eau, (v) l'implémentation de nouvelles technologies de gestion, et (vi) l'implémentation de technologies de traitement des eaux usées et leur rentabilité.

Face à la consommation accrue, à l'énergie supplémentaire nécessaire et au traitement/élimination des sous-produits, une approche holistique intégrant tous les aspects environnementaux est cruciale pour viser le « zéro rejet liquide ». La Figure 2 illustre cette approche.

Figure 2 : Approche holistique de la gestion de l'eau

Usages détaillés de l'eau

L'eau a de multiples usages en aciérie, avec des exigences de qualité variables. Il existe des systèmes à passage unique et des systèmes à recirculation partielle ou totale. La majorité de l'eau sert au refroidissement (protection des équipements, amélioration des conditions de travail). Une part significative est utilisée comme eau de processus, une faible quantité comme eau d'alimentation de chaudières et eau domestique/de service.

Différentes qualités d'eau sont nécessaires selon les emplacements. L'eau douce sert principalement aux procédés et au refroidissement direct/indirect, tandis que l'eau de mer est généralement utilisée pour le refroidissement à passage unique après prétraitement anti-encrassement. L'usage d'eau douce est souvent un indicateur de performance. En refroidissement direct, l'eau contacte le matériau/équipement ; en indirect, elle ne le contacte pas. L'eau de mer est utilisée pour le refroidissement à passage unique sans pré- ni post-traitement, sans contact avec le matériau. L'eau douce, en contact avec le matériau et les équipements, est traitée avant réutilisation ou rejet.

Principaux usages de l'eau en aciérie intégrée :

• Besoins de processus : ajustement de l'humidité du mélange de coke, trempe humide du coke, addition au mélange de sinter pour pelletisation, aspersion au sommet du haut fourneau pour contrôle de température, granulation du laitier liquide, coulée de fonte, coulée continue, décalaminage avant laminage à chaud, traitement thermique en ligne, contrôle de température en laminoirs à chaud, ajustement de la concentration d'acide de décapage.
• Conditionnement des matériaux : transport de calamine en coulée continue et laminage à chaud, addition d'eau aux matières premières pour suppression de poussières lors du transport et stockage, fabrication de boues pour transport par pipeline, transport des cendres volantes vers les bassins de décantation.
• Traitement des gaz : refroidissement, nettoyage et conditionnement des divers gaz générés.
• Transfert de chaleur : refroidissement d'équipements, cylindres, parois de fours (refroidissement direct et indirect).
• Production de vapeur : eau déminéralisée pour besoins de processus et production d'énergie.
• Refroidissements divers : fours et réfractaires avant réparations/rechargement, refroidissement de débordements de métal et laitier avant transport.
• Mortiers, masses de coulée, argiles : eau en quantité mesurée.
• Traitement des eaux usées et sanitaires : addition d'eau pour traitement efficace et neutralisation des effluents acides.
• Nettoyage des ateliers : lavage des sols pour éliminer les poussières déposées.
• Ventilation : air humidifié pour salles de commande électriques et tunnels.
• Lutte contre l'incendie, eau potable, cantines, sanitaires.
• Espaces verts : entretien de la végétation en usine pour l'environnement.

Diagramme de flux de l'eau et terminologie

Le diagramme de flux de l'eau en aciérie est présenté à la Figure 3. Les termes utilisés sont définis ci-après.

Figure 3 : Diagramme de flux de l'eau dans une aciérie

• Eau de prélèvement (Intake water) : eau pompée depuis le milieu récepteur à la station de pompage et introduite dans le système de l'usine.
• Eau d'appoint (Make-up water) : eau ajoutée au système pour compenser les pertes (processus, évaporation, fuites), fréquente dans les systèmes à recirculation.
• Eau de processus (Process water) : eau entrant en contact avec le produit final ou les matériaux incorporés au produit final. Inclut les flux contactant matières premières ou produits finis, ou devenant partie du produit final. Applications : séparation physique des constituants du minerai, trempe, décalaminage, galvanisation, placage, composante de solvants, acides, émulsions pour nettoyage, dégraissage, rinçage.
• Eau de refroidissement (Cooling water) : eau utilisée exclusivement pour le refroidissement. Dissipe la chaleur excédentaire des produits et équipements. Représente la majeure partie de l'eau utilisée. Applications : refroidissement par contact en laminage à chaud/froid, refroidissement et confinement des gaz de four, refroidissement fours et étuves. Le volume prélevé et rejeté varie selon le système : refroidissement à passage unique (demande maximale) vs systèmes à recirculation (rétention quasi totale).
• Eau déminéralisée : eau dont les minéraux ont été éliminés. Utilisée comme eau d'alimentation de chaudière. Nécessaire pour les procédés chimiques où les minéraux interféreraient. L'eau est adoucie par élimination des minéraux indésirables. Conductivité supérieure à l'eau déionisée.
• Eau d'alimentation de chaudière (Boiler feed water) : eau déminéralisée pour générer la vapeur de processus alimentant de nombreux procédés sidérurgiques. Les chaudières produisent l'énergie pour chauffage/refroidissement de processus, entraînement mécanique, contrôle de pression. Exigent des standards de qualité élevés pour fonctionnement sûr à haute température/pression. Avec prétraitement adéquat, l'eau de diverses sources peut être recyclée comme eau d'appoint de chaudière.
• Eau de lutte contre l'incendie : extinction des feux en usine.
• Eau adoucie (Soft water) : faible concentration en ions, notamment calcium et magnésium. Produite par adoucissement. Peut contenir sodium et bicarbonates élevés. Pas de dépôts calcaires dans les systèmes de chauffage et refroidissement indirect.
• Eau d'effluent (Effluent water) : eau usée rejetée du système. Rejetée vers un système d'élimination des déchets. En interne, l'effluent d'une unité peut servir de prélèvement pour une autre. La consommation est difficile à déterminer, souvent considérée comme la différence entre prélèvement et effluent, ou estimée par l'exploitant. En systèmes à passage unique, l'effluent n'est généralement pas mesuré.
• Eau domestique (Domestic water) : eau sanitaire pour boisson et sanitaires.
• Eau de service (Service water) : nettoyage général des ateliers, suppression de poussières, lavage des déchets.
• Autres usages : ventilation, transport de déchets (boues), jardinage, etc.

Polluants dans les eaux d'effluent

La gestion de l'eau est vitale pour le fonctionnement d'une aciérie intégrée qui en consomme de grands volumes. L'eau se pollue pendant l'exploitation. Il est difficile de dissocier contrôle de la pollution de l'eau et gestion de l'eau. Une bonne gestion réduit la pollution (zéro ou rejet minimal) par des systèmes de traitement élaborés pour la recirculation. Cela réduit la consommation (moins d'eau d'appoint), la pollution (rejet nul ou négligeable à la limite d'usine) et le coût du traitement avant rejet.

Polluants présents dans les effluents :

• Solides colloïdaux et en suspension : fines de minerai et fondants, calamine, sable, cendres volantes, fines de charbon et coke.
• Température et chaleur : eau de refroidissement, purge de chaudière.
• Huiles : huiles de laminoirs, lubrifiants, huiles hydrauliques, huiles de trempe, fiouls, solvants, goudrons, brais.
• Produits chimiques : liqueurs de décapage, boues acides, lessives caustiques, chaux, liqueur ammoniacale usée, purge de chaudière, produits chimiques toxiques.
• Déchets sanitaires : cantines, sanitaires, vestiaires, toilettes.

Le rejet sans traitement pollue les milieux récepteurs ; un traitement adéquat est indispensable. Principales méthodes de traitement :

• Bassins de décantation : décantation conventionnelle en bassins rectangulaires ou circulaires pour sédimentation des solides en suspension. Floculation parfois utilisée. Retrait des boues par pompes ou grue à benne.
• Épaississeurs, clarificateurs, clarifloculateurs : pour solides en suspension très fins et de tailles variables. Coagulants : alun, chlorure ferrique, sulfates ferriques, polyélectrolytes.
• Élimination de la chaleur : bassins de refroidissement, bassins d'aspersion, tours de refroidissement.
• Neutralisation : pH entre 6,5 et 7,5. Eaux acides traitées avec alcalins, eaux alcalines avec acides.
• Effluents contenant des huiles : flottation naturelle et écrémage conventionnel. Récupération de l'huile écrémée par rigoles mobiles.
• Eaux usées de cokerie (DBO élevée) : filtres percolateurs ou boues activées. Boues activées à aération prolongée plus efficaces pour réduire la DBO. Supplémentation en phosphore nécessaire pour équilibre nutritif. Apport d'eaux usées brutes bénéfique au processus à boues activées.

Un schéma typique de traitement des boues est présenté à la Figure 4.

Figure 4 : Schéma de traitement des boues