Soutenance de thèse de Kelly OHANESSIAN

La modélisation, la simulation et l’optimisation de différentes filières de traitement des eaux usées industrielles par la méthode du couplage de procédés ont été étudiées afin de comparer leurs performances épuratoires, d’une part, et d’évaluer les dépenses énergétiques et économiques associées. Pour cela, trois effluents caractéristiques de l’industrie microélectronique ont été sélectionnés : les effluents d’acides fluoré et phosphoré (AFP) ainsi que les effluents provenant des procédés des polissage des micropuces de Tungstène (CMP W) et de Cuivre (CMP Cu). Dans un premier temps, une étude bibliographique a permis de déterminer les données d’entrées de chacune des filières étudiées (débits, composition) ainsi que les procédés de traitement conventionnels employés. Les filières de traitement classiques des trois effluents sélectionnés ont ensuite été simulées sur ProSimPlus®. A partir des fonctionnalités disponibles du logiciel (modules, constituants, modèle thermodynamique), certains procédés ont été modélisés à partir de données physiques, chimiques et cinétiques issues de la littérature : Oxidation de Fenton, adsorption, échange ionique sur résine, ultrafiltration ; ou développés comme le module de cristallisation. Dans un second temps, de nouvelles filières de traitement ont été proposées pour chacun des effluents considérés. Le couplage d’un procédé d’OVH aux procédés de précipitation, d’ultrafiltration et d’échange ionique sur résine a été proposé pour l’optimisation de la filière CMP Cu. Ce couplage a montré de fortes performances épuratoires permettant premièrement, de s’affranchir de l’étape d’adsorption qui était le point noir de la filière CMP Cu, deuxièmement, de réduire la consommation en produits chimiques et troisièmement de rejeter l’effluent en milieu naturel. Le bilan économique réalisé sur les filières CMP Cu conventionnelle et alternative a montré que la filière CMP Cu alternative permet non seulement une nette économie sur la consommation en produits chimiques mais également une production de chaleur non négligeable, qui convertie en électricité, pourrait engendrer un revenu annuel conséquent. Cinq configurations AFP différentes ont été proposées faisant intervenir des couplages entre des procédés physico-chimiques de précipitations et des procédés de traitement biologiques. Un procédé à boues activées ainsi qu’un procédé à biofilm sur membrane aérée ont été modélisés à partir de données hydrodynamiques et cinétiques tirées de la littérature et intégrés sur ProSimPlus®. Les différents couplages proposés montrent des performances épuratoires intéressantes permettant de rejeter l’effluent soit en milieu naturel soit en zone sensible. D’autre part, la valorisation de sous-produits de précipitation (Struvite et CaF2) a permis de réaliser des bénéfices. Cependant, la pureté de l’hydroxyapatite obtenue est très faible (44,8%), par la présence de fluorapatite au sein du même cristalliseur, et ne peut être valorisée sans l’ajout d’un cristalliseur supplémentaire. Finalement, le bilan économique sur le couplage des filières CMP Cu alternative et CMP W a montré que cette configuration était intéressante des points de vue des dépenses en produits chimiques et de la production potentielle d’électricité permettant ainsi une économie de près de 1,44 M par rapport aux filières séparées.

The modeling, simulation and optimization of different industrial wastewater treatment processes using the process coupling method were studied in order to compare their purification performances, on the one hand, and to evaluate the associated energy and economic expenses. For this study, three effluents characteristic of the microelectronic industry have been selected: effluents of fluorinated and phosphorus acids (AFP) as well as effluents from the polishing processes of microchips Tungsten (CMP W) and Copper (CMP Cu) . As a first step, a bibliographic study allows to determine the input data for each stream studied (flow rates, composition) as well as the conventional treatment methods used. The conventional treatment processes of the three selected effluents were then simulated on ProSimPlus®. From the available functionalities of the software (modules, constituents, thermodynamic model), some processes have been modeled from physical, chemical and kinetic data from the literature: Fenton oxidation, adsorption, ion exchange on resin, ultrafiltration; or developed as the crystallization module. In a second step, new treatment streams were proposed for each effluents considered. The coupling of an OVH process to precipitation, ultrafiltration and resin ion exchange processes has been proposed for the optimization of the CMP Cu stream. This coupling showed strong purification performances allowing firstly, to get rid of the adsorption step which was the black spot of this stream, second, to reduce the consumption of chemicals and thirdly to reject the effluent into the natural environment. The economic balance achieved in the conventional and alternative CMP Cu sectors has shown that the CMP Cu alternative sector not only allows a net saving on the consumption of chemical products but also a significant heat production, which converted into electricity, could generate an income. annual result. Five different AFP configurations have been proposed involving couplings between physicochemical precipitation processes and biological treatment processes. An activated sludge process and an aerated membrane biofilm process were modeled from hydrodynamic, and kinetic data taken from the literature and integrated on ProSimPlus®. The various couplings proposed show interesting purification performances allowing to reject the effluent either in a natural environment or in a sensitive zone. On the other hand, the valorization of precipitation byproducts (Struvite and CaF2) led to profits. However, the purity of hydroxyapatite obtained is very low (44.8%), by the presence of fluorapatite within the same crystallizer, and can not be enhanced without the addition of an additional crystallizer. Finally, the economic balance on the coupling of the CMP Cu alternative and CMP W streams has shown that this configuration was interesting from the point of view of spending on chemical products and potential electricity production, thus saving around 1.44 M compared to separate channels.