23/09/2019

Nouvelles étapes dans la récupération de phosphate

La récupération et la reconcentration de phosphate à partir des effluents deviendront plus importantes que jamais à l’avenir pour faire face à la pénurie mondiale d’engrais qui menace. Avec cette information en tête, divers partenaires d’étude ont pris part au projet Tetra supporté par Vlaio. Ce projet était intitulé « Phosphate Recovery 2.0 ». La KU Leuven et le Vlakwa (Centre flamand des connaissances sur l’eau) ont organisé récemment une journée d’étude très suivie sur ce thème. Lors de celle-ci, on a notamment traité de la récupération du phosphate sous la forme de phosphate de calcium à partir des eaux usées du secteur de la transformation des pommes de terre et des légumes.

Le 1er juillet 2019, notre planète comptait quelque 7,7 milliards de personnes. Cette population continue encore à grandir, alors qu’une pénurie de phosphore menace de se produire à l’échelle mondiale et que, localement, il faut souvent éliminer le phosphate. « À terme, ceci peut entraîner des problèmes importants », indique le professeur Boudewijn Meesschaert, attaché au laboratoire de technologie microbienne et biochimique de la KU Leuven, campus de Bruges. « Comment allons-nous devoir nourrir toutes ces personnes si des engrais essentiels sont absents ? En outre, le minerai de phosphate n’est disponible que dans un nombre limité de pays. Personne ne peut prédire ce que seraient les conséquences si, brusquement, on ne disposait plus de phosphate ; or, nous savons bien qu’il existe une relation étroite entre la disponibilité d’engrais et la croissance de la population. Il est donc nécessaire de rechercher des méthodes pour récupérer le phosphate. »

C’est pourquoi le projet Tetra, intitulé « Phosphate Recovery 2.0. » a été lancé en 2017. « Nos eaux usées contiennent trop de phosphates », poursuit Boudewijn Meesschaert. « Ceci est certainement vrai pour des eaux usées de notre industrie alimentaire. En volume, celles-ci sont limitées si on les compare à celles des épurations d’eau, mais elles sont plus riches en phosphore. Ceci entraîne notamment l’eutrophisation (abus d’engrais) de nos cours d’eau. Aujourd’hui, on précipite le phosphate avec un surplus de FeCl3 (trichlorure de fer) mais ceci entraîne une teneur en chlore augmentée dans les effluents et une production supplémentaire de boues. En outre, le phosphate de fer formé dans les boues n’est pratiquement pas disponible biologiquement. C’est pourquoi des solutions de rechange sont recherchées. L’une des possibilités consiste dans la récupération sous forme de phosphate de calcium après une nitrification bactérielle des effluents anaérobie. »

« Par le biais de ce projet, nous voulions créer un phosphate de calcium qui, sur le plan qualitatif, se rapproche le plus possible du minerai de phosphate de manière à ce que l’industrie du phosphore puisse travailler avec ledit phosphate », poursuit l’ingénieur Annick Monballiu, également attachée à la KU Leuven, campus de Bruges. « Les avantages d’une nitrification sont multiples : l’élimination à la fois de l’ammonium (de manière à ce que la struvite ne puisse plus se précipiter) et du carbonate ainsi que du bicarbonate (CIT ou carbone inorganique total de manière à ce qu’il n’y ait pas de précipitation de chaux simultanée) et d’une partie du carbone du COT (carbone organique total). Tout ceci entraîne automatiquement un produit fini passablement pur. En outre, nous voulons rechercher si une dénitrification supplémentaire offre des avantages. Normalement ceci doit entraîner un pH plus élevé, ce qui doit faciliter la cristallisation, avec une augmentation du CIT aussi toutefois. »

Méthodologie

Dans la méthodologie, six études de cas ont été étudiées, l’analyse des paramètres étant exécutée pendant les essais par lots et en continu. Dans ce contexte, les influences du pH, le rapport Ca/P et l’aération ont été étudiés. Les essais ont chaque fois été simulés également, les concentrations finales attendues étant calculées par le biais de calculs des valeurs IS (indices de saturation).

« Étant donné qu’il n’était pas possible, en pratique, de prélever des eaux usées nitrifiées/dénitrifiées avec du phosphate chez un transformateur de pommes de terre (cas 1, 2 et 5) ou de légumes (cas 3, 4 et 6), nous avons nous-mêmes assuré la nitrification (cas 1 et 3) et la dénitrification (cas 2 et 4). Pour les cas 5 et 6 (phosphate de calcium après nitrification et dénitrification combinées), nous avons opté pour une approche ‘end of pipe’ en ajoutant en laboratoire du phosphate aux effluents de l’épuration d’eau (50 ppm de phosphate P pour les eaux usées de l’entreprise de transformation de pommes de terre, 15 ppm pour celles de l’entreprise de transformation de légumes). »

Pour précipiter le phosphate dans les eaux usées nitrifiées, un rapport Ca/P ajouté d’au moins quatre est nécessaire. « Ensuite, nous pouvons aussi conclure que tous les ions de Ca2+ déjà présents dans les eaux usées ne contribuent pratiquement pas à la précipitation du phosphate. Ce qui reste en phosphate après nitrification et précipitation peut être éliminé pendant la dénitrification qui suit. Après une nitrification et une dénitrification supplémentaire, le pH avait, en effet, été augmenté mais ceci entraînait dans les réacteurs de laboratoires continus une accumulation accrue du précipité avec du phosphate de magnésium et du carbonate de calcium. En outre, une partie du phosphate était déjà éliminée dans la dénitrification proprement dite. Cette dernière, si elle garantit un polishing supplémentaire et que le précipité obtenu est nettement moins contaminé par des matières organiques, il contient donc toutefois plus de magnésium, une contamination qui n’est pas souhaitée par l’industrie du phosphore. »

« Pendant plus d’un an, nous avons exécuté une étude à l’échelle pilote sur des eaux usées nitrifiées d’un transformateur de pommes de terre. Le précipité obtenu satisfaisait à toutes les normes chimiques mais contenait encore trop de matières organiques, un problème soluble à terme. Dans l’essai à l’échelle pilote pour la production d’acide phosphorique, ceci a entraîné une décoloration de l’acide phosphorique et du sulfate de calcium, le produit de base des plaques gyproc de Knauf. »

Les résultats des cas 5 et 6 montrent qu’une approche « end of pipe » est une option réelle. « Dans des conditions optimales, aérées et en présence de matières de greffage, la précipitation suit les simulations. Pour ces cas, nous avons pu conclure que la norme de déversement pour le phosphate est obtenue pour un rapport Ca/P ajouté de 4 à 5. Après centrifugeage, lavage et séchage à 70 °C, nous avons obtenu un précipité contenant du phosphate de calcium de couleur blanc beige, bien décantable et poudreux à partir des effluents de déversement dopés de l’entreprise de transformation de pommes de terre ; toutefois, il y avait une certaine contamination par le magnésium et le carbonate. À partir des effluents dopés de l’entreprise de transformation de légumes, une quantité de précipité inférieure a été obtenue. »

Conclusion

« Nous pouvons conclure que la nitrification des eaux usées au traitement anaérobie entraînera une précipitation de phosphate de calcium, sans perturbations ou avec moins de perturbations par la struvite et le carbonate. Par comparaison avec le processus à la struvite appliqué aujourd’hui, il ne faut pas d’alcalis ; après nitrification, nous obtenons le pH idéal », comme l’indique Annick Monballiu.

Par Bart Vancauwenberghe

Illustrations Vlakwa

www.vlakwa.be

Depuis un certain nombre d’années, NuReSys se concentre sur la récupération de phosphate à partir d’eaux usées industrielles principalement dans l’industrie alimentaire. « La base est la cristallisation du phosphate, avec l’azote et le magnésium, en struvite (Biostru). Ce produit peut être utilisé immédiatement comme engrais, sans transformation supplémentaire. Sa solubilité limitée dans l’eau assure une action lente. Étant donné que les racines des végétaux assurent elles-mêmes, avec leurs sécrétions acides, la libération des substances nutritives à partir de l’engrais, une absorptivité élevée est obtenue », selon Wim Moerman, gérant de NuReSys. La struvite figure dans la liste révisée des engrais et est reconnue, tant par l’AFSCA que par l’OVAM, comme matière première. Ce produit peut être aussi utilisé comme retardateur d’incendie et a, dans son ensemble, un effet positif sur le bilan de CO2.

Nouvelles étapes dans la récupération de phosphate

La récupération et la reconcentration de phosphate à partir des effluents deviendront plus importantes que jamais à l’avenir pour faire face à la pénurie mondiale d’engrais qui menace. Avec cette information en tête, divers partenaires d’étude ont pris part au projet Tetra supporté par Vlaio. Ce projet était intitulé « Phosphate Recovery 2.0 ». La KU Leuven et le Vlakwa (Centre flamand des connaissances sur l’eau) ont organisé récemment une journée d’étude très suivie sur ce thème. Lors de celle-ci, on a notamment traité de la récupération du phosphate sous la forme de phosphate de calcium à partir des eaux usées du secteur de la transformation des pommes de terre et des légumes.

Le 1er juillet 2019, notre planète comptait quelque 7,7 milliards de personnes. Cette population continue encore à grandir, alors qu’une pénurie de phosphore menace de se produire à l’échelle mondiale et que, localement, il faut souvent éliminer le phosphate. « À terme, ceci peut entraîner des problèmes importants », indique le professeur Boudewijn Meesschaert, attaché au laboratoire de technologie microbienne et biochimique de la KU Leuven, campus de Bruges. « Comment allons-nous devoir nourrir toutes ces personnes si des engrais essentiels sont absents ? En outre, le minerai de phosphate n’est disponible que dans un nombre limité de pays. Personne ne peut prédire ce que seraient les conséquences si, brusquement, on ne disposait plus de phosphate ; or, nous savons bien qu’il existe une relation étroite entre la disponibilité d’engrais et la croissance de la population. Il est donc nécessaire de rechercher des méthodes pour récupérer le phosphate. »

C’est pourquoi le projet Tetra, intitulé « Phosphate Recovery 2.0. » a été lancé en 2017. « Nos eaux usées contiennent trop de phosphates », poursuit Boudewijn Meesschaert. « Ceci est certainement vrai pour des eaux usées de notre industrie alimentaire. En volume, celles-ci sont limitées si on les compare à celles des épurations d’eau, mais elles sont plus riches en phosphore. Ceci entraîne notamment l’eutrophisation (abus d’engrais) de nos cours d’eau. Aujourd’hui, on précipite le phosphate avec un surplus de FeCl3 (trichlorure de fer) mais ceci entraîne une teneur en chlore augmentée dans les effluents et une production supplémentaire de boues. En outre, le phosphate de fer formé dans les boues n’est pratiquement pas disponible biologiquement. C’est pourquoi des solutions de rechange sont recherchées. L’une des possibilités consiste dans la récupération sous forme de phosphate de calcium après une nitrification bactérielle des effluents anaérobie. »

« Par le biais de ce projet, nous voulions créer un phosphate de calcium qui, sur le plan qualitatif, se rapproche le plus possible du minerai de phosphate de manière à ce que l’industrie du phosphore puisse travailler avec ledit phosphate », poursuit l’ingénieur Annick Monballiu, également attachée à la KU Leuven, campus de Bruges. « Les avantages d’une nitrification sont multiples : l’élimination à la fois de l’ammonium (de manière à ce que la struvite ne puisse plus se précipiter) et du carbonate ainsi que du bicarbonate (CIT ou carbone inorganique total de manière à ce qu’il n’y ait pas de précipitation de chaux simultanée) et d’une partie du carbone du COT (carbone organique total). Tout ceci entraîne automatiquement un produit fini passablement pur. En outre, nous voulons rechercher si une dénitrification supplémentaire offre des avantages. Normalement ceci doit entraîner un pH plus élevé, ce qui doit faciliter la cristallisation, avec une augmentation du CIT aussi toutefois. »

Méthodologie

Dans la méthodologie, six études de cas ont été étudiées, l’analyse des paramètres étant exécutée pendant les essais par lots et en continu. Dans ce contexte, les influences du pH, le rapport Ca/P et l’aération ont été étudiés. Les essais ont chaque fois été simulés également, les concentrations finales attendues étant calculées par le biais de calculs des valeurs IS (indices de saturation).

« Étant donné qu’il n’était pas possible, en pratique, de prélever des eaux usées nitrifiées/dénitrifiées avec du phosphate chez un transformateur de pommes de terre (cas 1, 2 et 5) ou de légumes (cas 3, 4 et 6), nous avons nous-mêmes assuré la nitrification (cas 1 et 3) et la dénitrification (cas 2 et 4). Pour les cas 5 et 6 (phosphate de calcium après nitrification et dénitrification combinées), nous avons opté pour une approche ‘end of pipe’ en ajoutant en laboratoire du phosphate aux effluents de l’épuration d’eau (50 ppm de phosphate P pour les eaux usées de l’entreprise de transformation de pommes de terre, 15 ppm pour celles de l’entreprise de transformation de légumes). »

Pour précipiter le phosphate dans les eaux usées nitrifiées, un rapport Ca/P ajouté d’au moins quatre est nécessaire. « Ensuite, nous pouvons aussi conclure que tous les ions de Ca2+ déjà présents dans les eaux usées ne contribuent pratiquement pas à la précipitation du phosphate. Ce qui reste en phosphate après nitrification et précipitation peut être éliminé pendant la dénitrification qui suit. Après une nitrification et une dénitrification supplémentaire, le pH avait, en effet, été augmenté mais ceci entraînait dans les réacteurs de laboratoires continus une accumulation accrue du précipité avec du phosphate de magnésium et du carbonate de calcium. En outre, une partie du phosphate était déjà éliminée dans la dénitrification proprement dite. Cette dernière, si elle garantit un polishing supplémentaire et que le précipité obtenu est nettement moins contaminé par des matières organiques, il contient donc toutefois plus de magnésium, une contamination qui n’est pas souhaitée par l’industrie du phosphore. »

« Pendant plus d’un an, nous avons exécuté une étude à l’échelle pilote sur des eaux usées nitrifiées d’un transformateur de pommes de terre. Le précipité obtenu satisfaisait à toutes les normes chimiques mais contenait encore trop de matières organiques, un problème soluble à terme. Dans l’essai à l’échelle pilote pour la production d’acide phosphorique, ceci a entraîné une décoloration de l’acide phosphorique et du sulfate de calcium, le produit de base des plaques gyproc de Knauf. »

Les résultats des cas 5 et 6 montrent qu’une approche « end of pipe » est une option réelle. « Dans des conditions optimales, aérées et en présence de matières de greffage, la précipitation suit les simulations. Pour ces cas, nous avons pu conclure que la norme de déversement pour le phosphate est obtenue pour un rapport Ca/P ajouté de 4 à 5. Après centrifugeage, lavage et séchage à 70 °C, nous avons obtenu un précipité contenant du phosphate de calcium de couleur blanc beige, bien décantable et poudreux à partir des effluents de déversement dopés de l’entreprise de transformation de pommes de terre ; toutefois, il y avait une certaine contamination par le magnésium et le carbonate. À partir des effluents dopés de l’entreprise de transformation de légumes, une quantité de précipité inférieure a été obtenue. »

Conclusion

« Nous pouvons conclure que la nitrification des eaux usées au traitement anaérobie entraînera une précipitation de phosphate de calcium, sans perturbations ou avec moins de perturbations par la struvite et le carbonate. Par comparaison avec le processus à la struvite appliqué aujourd’hui, il ne faut pas d’alcalis ; après nitrification, nous obtenons le pH idéal », comme l’indique Annick Monballiu.

Par Bart Vancauwenberghe

Illustrations Vlakwa

www.vlakwa.be

Struvite

Depuis un certain nombre d’années, NuReSys se concentre sur la récupération de phosphate à partir d’eaux usées industrielles principalement dans l’industrie alimentaire. « La base est la cristallisation du phosphate, avec l’azote et le magnésium, en struvite (Biostru). Ce produit peut être utilisé immédiatement comme engrais, sans transformation supplémentaire. Sa solubilité limitée dans l’eau assure une action lente. Étant donné que les racines des végétaux assurent elles-mêmes, avec leurs sécrétions acides, la libération des substances nutritives à partir de l’engrais, une absorptivité élevée est obtenue », selon Wim Moerman, gérant de NuReSys. La struvite figure dans la liste révisée des engrais et est reconnue, tant par l’AFSCA que par l’OVAM, comme matière première. Ce produit peut être aussi utilisé comme retardateur d’incendie et a, dans son ensemble, un effet positif sur le bilan de CO2.

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