FR3097857A1 - Procédé de traitement du phosphore - Google Patents

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Abstract

Procédé de traitement du phosphore La présente invention se rapporte au domaine du traitement des eaux usées, et plus particulièrement à un procédé pour capter ou éliminer le phosphore contenu dans des effluents aqueux, ledit procédé pouvant être mis en œuvre dans un bassin filtrant du type planté de macrophytes. L’invention protège également une station d’épuration.

Description

Procédé de traitement du phosphore
La présente invention se rapporte au domaine du traitement des eaux usées. L’invention concerne un procédé pour capter ou éliminer le phosphore contenu dans des effluents aqueux, ledit procédé pouvant être mis en œuvre dans un bassin filtrant du type planté de macrophytes. L’invention protège également une station d’épuration.
La présence de phosphore dans les eaux usées est reconnue comme favorisant la croissance des algues et des plantes aquatiques dans les eaux réceptrices en fournissant une source de nutrition. Une croissance excessive des plantes peut entraîner le colmatage des cours d'eau, et la croissance et la mort subséquente des algues peuvent être responsable de l'eutrophisation des lacs et autres eaux réceptrices. Alors qu'il est reconnu que d'autres éléments, tels que le carbone et l'azote, contribuent à la valeur nutritive des effluents, une attention récente porte sur l'élimination du phosphore. Le phosphore présent dans les effluents domestiques, issue du métabolisme humain, des lessives, des rejets industriels et agricoles est présent dans les eaux usées sous diverses formes, par exemple sous forme inorganique (polyphosphates et orthophosphates) ou organique (phospho-lipides, esters, polynucléotides, etc).
Les phosphates solubles peuvent être éliminés des eaux usées par un traitement chimique par ajout de sels métalliques qui provoquent la précipitation de phosphates colloïdaux dissous, suivie de l'élimination des phosphates précipités généralement par tassement. Les coagulants inorganiques appropriés à cette fin comprennent certains sels solubles contenant des cations multivalents tels que le sulfate d'aluminium, le sulfate ferreux, le sulfate ferrique, le chlorure ferrique, l'aluminate de sodium et l'hydroxyde de calcium dont l'utilisation précipite comme phosphates métalliques insolubles correspondants.
Malheureusement, le tassement est beaucoup trop lent et inefficace pour être accompli de façon satisfaisante dans une phase normale de sédimentation des eaux usées. En outre, les phosphates insolubles ne peuvent être éliminés des eaux usées par un processus de sédimentation.
Depuis maintenant plusieurs années sont apparues des stations d’épuration mettant en œuvre des filtres plantés de roseaux (FPR). Ces procédés de traitement biologique à cultures fixées sur sable ou gravier sont rustiques, écologiques et performants. En effet, les processus épuratoires sont assurés par des micro-organismes présents dans les massifs filtrants formés par les rhizomes des roseaux mais également dans la couche superficielle de boues retenue en surface du bassin. Les roseaux évitent le colmatage du bassin grâce aux tiges qu’ils émettent depuis leurs rhizomes (tiges souterraines) et qui viennent percer les dépôts de boue. Ils créent alors des cheminements se prolongeant jusqu’au système racinaire et vers la couche drainante, cela permet l’oxygénation et évite le colmatage. Les roseaux permettent la couverture foliaire qui préserve la surface des filtres d’une éventuelle dessiccation estivale. Cela assure de l’ombre aux bactéries, leur permettant un bon développement. L’utilisation de plantes et leurs interactions avec les microorganismes et le substrat dans lequel elles sont enracinées favorisent l’enlèvement des polluants par différents procédés, néanmoins la dégradation des polluants dans le filtre planté de roseaux repose en grande partie sur l’activité biologique. De manière classique, les roseaux sont plantés dans une couche de sable ou de graviers dont la granulométrie est soigneusement calibrée.
L’épuration, grâce aux FRP, se réalise selon le principe de l’épuration biologique en milieux granulaires fins à grossiers.
On distingue deux types de filtres plantés :
Les filtres à écoulement horizontal : Dans les filtres à flux horizontal, l’eau arrive dans la matrice filtrante par un écoulement saturé horizontal dans la longueur du filtre jusqu’à la sortie. Ces systèmes permettent de répondre à de nombreuses problématiques : le traitement des eaux usées domestiques, le traitement des eaux industrielles dont la rétention des métaux lourds, la dégradation des produits xénobiotiques, le traitement des eaux usées issues de l’agriculture et de l’industrie agroalimentaire ou encore le traitement des sources non ponctuelles de pollution tels que les bassins d’orage ou le traitement du ruissellement des eaux de routes.
Les filtres à écoulement vertical : Dans les filtres à flux vertical, les effluents sont amenés dans la partie supérieure du filtre et percolent verticalement à travers des couches de différentes granulométries organisées le plus souvent du haut vers le bas de façon croissante. La couche de surface (constituée de sable ou de gravier) permet une meilleure répartition de l’effluent et la couche au fond du filtre permet un bon drainage. L’alimentation est souvent réalisée par intermittence pour favoriser la filtration et permettre une bonne aération du massif filtrant. Ainsi, ces systèmes sont utilisés pour des effluents chargés en matière en suspension, ammonium ou bien pour le séchage de boues.
La filière française des filtres plantés est constituée de deux étages à écoulement vertical en série. Chaque étage comporte deux ou trois lits en parallèles, alimentés en alternance. Les périodes de repos sont fondamentales car elles permettent de :
réguler la croissance de la biomasse fixée,
maintenir les conditions aérobies dans le massif filtrant, et
minéraliser les dépôts organiques provenant des matières en suspension des eaux brutes retenues en surface.
L’ensemble de ces phénomènes permet de minimiser le colmatage du filtre.
Vu la faiblesse de la filière FPR pour le traitement du phosphore et le nombre croissant des demandes de plus en plus contraignantes pour ce paramètre, l’implémentation d’un procédé pour le traitement du phosphore par FRP est un des objectifs de l’invention. L’invention vise également l’utilisation des déchets industriels, tels que les laitiers sidérurgiques et les cendres volantes, en tant que matériaux réactifs pour capter le phosphore.
Les sels d’aluminium sont couramment utilisés pour le traitement d’eau dans les stations de potabilisation. Une voie de valorisation qui a notamment fait l’objet d’études récentes consiste en l’utilisation de boues à base de sels d’aluminium pour le captage du phosphore à l’intérieur d’un filtre planté (Zhao, Y. Q., Zhao, X. H., and Babatunde, A. O., Bioresource Technology, Vol. 100, Issue 2, 2009, pages 644-648; Hou et al., Materials Letters, Vol. 229, 2018, pages 31-35). Les résultats de ces études sont prometteurs en ce qui concerne la capacité de captage et leur sécurité d’utilisation (R. Liu at al., Chemical, Engineering Journal 302 (2016) 120-127)).
De manière surprenante, les Inventeurs ont maintenant constaté que l’utilisation de boue (matériaux alluvionnaires) issue de déchets industriels comprenant des sels d’aluminium et des particules de charbon actif sont susceptibles de capter et éliminer le phosphore contenu dans des effluents aqueux. Ainsi, l’invention offre une utilisation alternative économique et écologique de ces déchets, et un nouveau système de traitement des eaux usées contenant du phosphore, en particulier des effluents domestiques et industriels.
Selon un premier aspect, la présente invention a pour objet un procédé pour capter ou éliminer le phosphore contenu dans un effluent aqueux, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
i- mise en contact d’un effluent aqueux contenant du phosphore avec une couche de filtration comprenant au moins un oxyde d’aluminium et des particules de charbon actif,
ii- récupération de l’effluent aqueux traité obtenu à l’issue de l’étape i-.
Avantageusement, la couche de filtration comprenant au moins un oxyde d’aluminium et des particules de charbon actif est une couche de boue issue de déchets domestiques et industriels, comme par exemple une couche de boue de décantation issue d’usines de production d’eau potable. Un tel procédé bénéficie donc d’une valeur environnementale particulièrement importante dans la mesure où il permet le recyclage de déchets domestiques et industriels.
Au sens de l’invention, on entend par boue un matériau alluvionnaire comprenant un mélange d’eau et de particules sédimentaires fines telles que du sable, de la vase, de l’argile, du limon.
La couche de filtration comprend de préférence au moins 20% en poids, et encore plus préférentiellement au moins 30% en poids, d’au moins un oxyde d’aluminium. Avantageusement, l’oxyde d’aluminium est Al2O3. Lors de sa mise en contact avec l’effluent aqueux, la couche de filtration se transforme en boue et l’oxyde d’aluminium qu’elle contient se transforme principalement en hydroxyde d’aluminium. C’est ce dernier qui permet le captage du phosphore.
La couche de filtration comprend de préférence au moins 2% en poids, et encore plus préférentiellement au moins 5% en poids, de particules de charbon actif.
Plus la teneur en oxyde d’aluminium et en charbon actif est importante, plus il est possible de se passer de matériaux alluvionnaires, ce qui augmente d’autant plus la valeur environnementale de l’installation.
La couche de filtration peut également comprendre au moins un oxyde de calcium, de préférence CaO. Avantageusement, la couche de filtration comprend au moins 5% en poids, et plus préférentiellement au moins 10% en poids, d’au moins un oxyde de calcium. Lors de la mise en contact avec l’effluent aqueux, l’oxyde de calcium éventuellement présent dans la couche de filtration se transforme principalement en hydroxyde de calcium.
La couche de filtration peut également comprendre au moins un oxyde de fer, de préférence Fe2O3. Avantageusement, la couche de filtration comprend au moins 5% en poids, et plus préférentiellement au moins 10% en poids, d’au moins un oxyde de fer. Lors de la mise en contact avec l’effluent aqueux, l’oxyde de fer éventuellement présent dans la couche de filtration se transforme principalement en hydroxyde de fer.
L’épaisseur de la couche de filtration est avantageusement dimensionnée en fonction des conditions de rejet souhaitées. Dans certains modes de réalisation, l’épaisseur de la couche de filtration est comprise entre 20 et 60 cm, de préférence entre 40 et 60 cm. Les inventeurs ont déterminé que l’essentiel de la filtration avait lieu sur les 20 premiers centimètres de la couche de filtration de telle sorte qu’une couche de 20 cm est strictement suffisante. Toutefois, une couche plus épaisse permet d’atteindre des performances de filtration plus importantes.
Selon un mode de réalisation préférée, dans l’étape i- du procédé de l’invention des plantes de type macrophytes sont plantées dans la couche de filtration. Au sens de l’invention, les plantes macrophytes sont émergentes et du type roseaux. Il peut notamment s’agir d’espèces des genresPhragmites, Typhaou encoreIris,pour ne citer que ces derniers.
L’étape i- de mise en contact est avantageusement réalisée pendant un temps de séjour d’au moins une heure, de préférence d’au moins 10 heures, et encore plus préférentiellement comprise entre 10 et 24 heures.
L’étape i- de mise en contact est avantageusement réalisée en introduisant l’effluent aqueux comprenant du phosphore à un débit variable selon les dimensions du filtre et du temps de séjour souhaité, comme par exemple un débit variant de 0,1 à 1,3 mL.min-1, de préférence 0,3 à 1,1 mL.min-1, et encore plus préférentiellement de 0,5 à 0,9 mL.min-1.
Un autre objet de l’invention concerne un bassin filtrant comprenant une arrivée de fluide à traiter, une couche de filtration configurée pour être traversée par ledit fluide à traiter, des plantes du type macrophytes plantés au moins partiellement dans la couche de filtration, et un drain configuré pour recueillir le fluide à traiter après son passage dans la couche de filtration, dans lequel la couche de filtration comprend au moins un oxyde d’aluminium et des particules de charbon actif.
Ce bassin filtrant correspond donc à un bassin filtrant du type planté de macrophytes conventionnel dans lequel au moins une partie des matériaux de filtration alluvionnaires a été remplacée par de l’aluminium et des particules de charbon actif. Ladite couche de filtration est avantageusement une couche de boue comprenant au moins un oxyde d’aluminium et des particules de charbon actif, comme par exemple une couche de boue de décantation issue d’usines de production d’eau potable.
Les inventeurs ont observé qu’en plus des avantages environnementaux liés au recyclage de ces déchets, la réutilisation de ces boues comprenant au moins un oxyde d’aluminium en combinaison avec des particules de charbon actif assurent une performance de traitement au moins équivalente à celle d’un bassin filtrant planté de roseaux classique et même supérieure sur certains aspects, offrant un abattement supérieur des matières phosphatées.
La couche de filtration du bassin filtrant de l’invention présente les mêmes caractéristiques que celles définies précédemment pour le procédé de captage ou d’élimination du phosphore.
La couche de filtration du bassin filtrant comprend de préférence au moins 20% en poids, et encore plus préférentiellement au moins 30% en poids, d’au moins un oxyde d’aluminium. Avantageusement, l’oxyde d’aluminium est Al2O3. Lors de sa mise en contact avec l’effluent aqueux, la couche de filtration se transforme en boue et l’oxyde d’aluminium qu’elle contient se transforme principalement en hydroxyde d’aluminium. C’est ce dernier qui permet le captage du phosphore.
La couche de filtration du bassin filtrant comprend de préférence au moins 2% en poids, et encore plus préférentiellement au moins 5% en poids, de particules de charbon actif.
La couche de filtration du bassin filtrant peut également comprendre au moins un oxyde de calcium, de préférence CaO. Avantageusement, la couche de filtration du bassin filtrant comprend au moins 5% en poids, et plus préférentiellement au moins 10% en poids, d’au moins un oxyde de calcium. Lors de la mise en contact avec l’effluent aqueux, l’oxyde de calcium éventuellement présent dans la couche de filtration du bassin filtrant se transforme principalement en hydroxyde de calcium.
La couche de filtration du bassin filtrant peut également comprendre au moins un oxyde de fer, de préférence Fe2O3. Avantageusement, la couche de filtration comprend au moins 5% en poids, et plus préférentiellement au moins 10% en poids, d’au moins un oxyde de fer. Lors de la mise en contact avec l’effluent aqueux, l’oxyde de fer éventuellement présent dans la couche de filtration du bassin filtrant se transforme principalement en hydroxyde de fer.
Dans certains modes de réalisation, le bassin filtrant comprend en outre une couche de drainage, disposée à côté de la couche de filtration et autour du drain, comprenant des particules dont la granulométrie est sensiblement supérieure à celle des particules de la couche de filtration. Une telle couche de drainage permet de faciliter l’écoulement du fluide à traiter ayant traversé la couche de filtration vers le drain. Elle permet également d’empêcher des particules de la couche de filtration de pénétrer dans le drain.
Dans certains modes de réalisation, la granulométrie des particules de la couche de drainage est comprise entre 20 et 60 mm. Cette granulométrie est mesurée par tamisage.
Selon un mode de réalisation préféré, le bassin filtrant est du type à écoulement horizontal.
Un autre objet de l’invention concerne une station d’épuration comprenant au moins un bassin filtrant tel que défini selon l’invention.
Avantageusement, la station d’épuration de l’invention comprend au moins un bassin filtrant formant un premier étage de filtration et un deuxième bassin filtrant, disposé en aval du premier bassin filtrant, formant un deuxième étage de filtration.
Dans certains modes de réalisation, la station d’épuration de l’invention comprend au moins un premier bassin filtrant contribuant à former un premier étage de filtration, un deuxième bassin filtrant, disposé en aval du premier bassin filtrant, contribuant à former un deuxième étage de filtration, et un troisième bassin filtrant, disposé en aval du deuxième bassin filtrant, contribuant à former un troisième étage de filtration. Chacun des bassins filtrants peut être muni d’une couche de filtration comprenant au moins un oxyde d’aluminium et des particules de charbon actif, telle que définie selon l’invention. Avantageusement, au moins le troisième bassin filtrant est muni d’une couche de filtration comprenant au moins un oxyde d’aluminium et des particules de charbon actif, telle que définie selon l’invention. Néanmoins, la configuration inverse est également envisageable. De plus, chaque étage de filtration peut comprendre plusieurs bassins filtrants disposés en parallèle, les bassins filtrants composant un étage de filtration donné étant alors de préférence identiques.
Dans certains modes de réalisation, le ou les bassins filtrants sont alimentés en fluide à traiter par une chasse pendulaire ou un poste de refoulement équipé d’au moins une pompe, par exemple deux ou trois pompes.
Selon un dernier aspect, l’invention concerne l’utilisation d’une couche de filtration comprenant au moins un oxyde d’aluminium et des particules de charbon actif pour le captage du phosphore, de préférence pour le captage du phosphore contenu dans des effluents aqueux. La couche de filtration peut être une couche de boue (matériaux alluvionnaires) issue de déchets industriels, et de préférence une couche de boue de décantation issue d’usines de production d’eau potable, avantageusement mise en œuvre dans un bassin filtrant tel que défini selon l’invention.
Outre les dispositions qui précèdent, l’invention comprend encore d’autres dispositions qui ressortiront du complément de description qui suit, qui se rapporte à la mise en œuvre d’un procédé selon l’invention, et à la Figure 1 et à la Figure 2.
La Figure 1 est un graphique montrant le taux de phosphore capté par la boue de Nérac-Nazareth en fonction du temps.
La Figure 2 représente le montage d’une colonne avec les points d’échantillonnage.
Exemples :
Exemple 1 : Test en batch
Des tests en batch ont été réalisés pour évaluer la capacité de captage de deux boues issues de deux stations de potabilisation dans le Lot-et-Garonne (47), Pinel-Hauterive, système classique avec des sels d’aluminium, et Nérac-Nazareth, sels d’aluminium mélangés à du charbon actif en poudre.
Une analyse par Microscopie Electronique à Balayage associé à la microanalyse par Energie Dispersive de rayons X (MEB-EDX) de l’échantillon de boue de Nérac-Nazareth a révélé la présence de :
- 21,96% en poids d’oxyde d’aluminium Fe2O3,
- 5,09% en poids d’oxyde de calcium CaO, et
- 6,36% en poids d’oxyde de fer Fe2O3.
Le charbon actif est par ailleurs présent à un taux de 5,0% en poids.
Six solutions avec différentes concentrations en phosphore (0, 5, 10, 20, 25 et 100 mg P/L) ont été préparées et mises dans des conteneurs d’un litre. Un échantillon de 30 g de chaque boue sèche a été mis en contact avec chaque solution, sous agitation constante. Des prélèvements ont été effectués une fois par jour pendant sept jours afin de mesurer la variation de la teneur en phosphore de chacune des solutions.
Pour la boue de Pinel-Hauterive, la formation des précipitats a été observée ; il n’a donc pu être procédé à une évaluation du taux de phosphore capté.
En revanche, des résultats très intéressants ont été obtenus avec la boue de Nérac-Nazareth, qui a permis un captage rapide et complet du phosphore (Figure 1).
Cependant, pour la boue de Pinel-Hauterive, la formation des précipitats a été observée. En conséquence, seulement les boues de Nérac-Nazareth ont été retenues pour la suite des expériences.
Exemple 2 : Test sur colonne
L’objectif du montage en colonne a été mis en place pour imiter le fonctionnement d’un FRP à écoulement horizontal et saturé, qui pourrait être ajouté en sortie d’une station classique.
Dans une colonne en verre de 6 cm de diamètre sont ajoutées successivement :
une couche de verre pilé de 12 cm,
une couche de filtration de 10 cm constituée de boue de Nérac-Nazareth, et
une couche de verre de 8 cm.
La colonne a été alimentée pendant sept semaines avec des effluents de sortie d’une station d’épuration FRP en Gironde. Le traitement des eaux brutes par ce type de système n’est normalement pas envisageable à cause de la teneur en matières en suspension qui pourraient entrainer des problèmes de colmatage.
Le temps de séjour des effluents dans la colonne était de 12h, avec un débit d’alimentation de 0,700 mL/min. L’alimentation a été effectuée avec une pompe péristaltique en bas de la colonne, en écoulement vertical saturé. L’eau de sortie était collectée par le haut de la colonne
Un prélèvement a été effectué sur les points IN, P1, P2 et OUT de la Figure 2 une fois par semaine afin d’évaluer la capacité épuratoire de la boue Nérac-Nazareth. Les résultats sont présentés dans le Tableau 1 ci-dessous :
Semaine Entrée (mg P/L) P1 (mg P/L) P2 (mg P/L) Sortie (mg P/L) Rendement (%)
1 10,0 6,3 0,9 1,4 86
2 10,0 5,0 2,5 3,2 68
3 9,8 7,2 2,2 1,9 81
4 10,1 7,3 3,1 2,5 76
5 10,5 0,7 2,8 2,3 79
6 10,5 7,5 2,9 2,4 77
7 10,2 7,3 2,9 2,7 74
Moyenne 10,1 5,9 2,5 2,3 77
Les résultats obtenus ont été très encourageants, avec une concentration de 2.3 mg/L de phosphore total en sortie, et des rendements supérieurs à 70%. Le procédé de l’invention montre donc une élimination stable et de haut rendement du phosphore.

Claims (15)

  1. Procédé pour capter ou éliminer le phosphore contenu dans un effluent aqueux, caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes :
    i- mise en contact d’un effluent aqueux contenant du phosphore avec une couche de filtration comprenant au moins un oxyde d’aluminium et des particules de charbon actif,
    ii- récupération de l’effluent aqueux traité obtenu à l’issue de l’étape i-.
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la couche de filtration est une couche de boue issue de déchets industriels, et de préférence une couche de boue de décantation issue d’usines de production d’eau potable.
  3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel des plantes de type macrophytes sont plantées dans la couche de filtration.
  4. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel la couche de filtration de l’étape i- comprend au moins un oxyde de calcium.
  5. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel la couche de filtration de l’étape i- comprend au moins un oxyde de fer.
  6. Procédé selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel l’étape i- de mise en contact est réalisée pendant un temps de séjour d’au moins une heure, de préférence d’au moins 10 heures, et encore plus préférentiellement comprise entre 10 et 24 heures.
  7. Procédé selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel l’étape i- de mise en contact est réalisée en introduisant l’effluent aqueux comprenant du phosphore à un débit variant de 0,1 à 1,3 mL.min-1, de préférence 0,3 à 1,1 mL.min-1, et encore plus préférentiellement de 0,5 à 0,9 mL.min-1.
  8. Bassin filtrant comprenant :
    une arrivée de fluide à traiter,
    une couche de filtration configurée pour être traversée par ledit fluide à traiter,
    des plantes de type macrophytes plantées au moins partiellement dans la couche de filtration, et
    un drain configuré pour recueillir le fluide à traiter après son passage dans la couche de filtration,
    caractérisé en ce que ladite couche de filtration comprend au moins un oxyde d’aluminium et des particules de charbon actif, et en ce que ledit fluide est traité selon le procédé des revendications 1 à 7.
  9. Bassin filtrant selon la revendication 8, dans lequel la couche de filtration est une couche de boue issue de déchets industriels, et de préférence une couche de boue de décantation issue d’usines de production d’eau potable.
  10. Bassin filtrant selon la revendication 8 ou la revendication 9, dans lequel la couche de filtration comprend au moins 20% en poids d’oxyde d’aluminium.
  11. Bassin filtrant selon l’une des revendications 8 à 10, dans lequel la couche de filtration comprend au moins 2% en poids de particules de charbon actif.
  12. Bassin filtrant selon l’une des revendications 8 à 11, dans lequel la couche de filtration comprend au moins un oxyde de calcium.
  13. Bassin filtrant selon l’une des revendications 8 à 12, dans lequel la couche de filtration comprend au moins un oxyde de fer.
  14. Station d’épuration comprenant au moins un bassin filtrant selon l’une des revendications 8 à 13.
  15. Station d’épuration selon la revendication 14, comprenant au moins un bassin filtrant formant un premier étage de filtration et un deuxième bassin filtrant, disposé en aval du premier bassin filtrant, formant un deuxième étage de filtration.
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