WO2024009276A1 - Procédé de traitement d'eaux usées pour éliminer les phosphates qu'elles contiennent - Google Patents

Procédé de traitement d'eaux usées pour éliminer les phosphates qu'elles contiennent Download PDF

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WO2024009276A1
WO2024009276A1 PCT/IB2023/057030 IB2023057030W WO2024009276A1 WO 2024009276 A1 WO2024009276 A1 WO 2024009276A1 IB 2023057030 W IB2023057030 W IB 2023057030W WO 2024009276 A1 WO2024009276 A1 WO 2024009276A1
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water
iron
treated
phosphates
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PCT/IB2023/057030
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Véronique DELUCHAT-ANTONY
Pauline LANET
Michel Baudu
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Université De Limoges
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    • C02F1/28—Treatment of water, waste water, or sewage by sorption
    • C02F1/281—Treatment of water, waste water, or sewage by sorption using inorganic sorbents
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
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    • C02F2209/44—Time

Definitions

  • the present invention relates to the elimination of phosphates in urban, domestic or industrial wastewater, by a phosphate retention system using renewable or easily accessible, non-toxic materials, capable of operating without energy expenditure or continuous supply of reagents, and allowing advantageously treatment of water from Wastewater Treatment Plants (STEU) of low capacity, such as ⁇ 2000 Inhabitant Equivalents or 120 kg BOD 5 /d.
  • STU Wastewater Treatment Plants
  • the present invention aims to define a system showing significant trapping capacity.
  • oxygen saturation of water we mean the quantity of oxygen present in the water as a percentage compared to the total quantity of oxygen that the water can contain, this content being variable depending on the physicochemical conditions , such as temperature, pressure and salinity.
  • the first bed whose material is completely immersed in the water to be treated throughout the process, and in which no air circulates, can be said to be “saturated”.
  • the second bed the material of which is not immersed in the water to be treated and in which air is present, can be said to be “unsaturated”.
  • oxygen and water induce the oxidation of zero-valent iron, with the formation of ferrous and ferric ions and various amorphous oxy-hydroxides, such as green rusts. Over time, these amorphous forms evolve towards crystallized forms, such as lepidocrocite or maghemite, which have much lower adsorption capacities (see the aforementioned article by N. Sleiman et al.). It is appropriate to generate sorption supports in proportion to the flow of phosphates to be treated. This is why operation according to the present invention in a column containing a bed of zero-valent iron immersed in the water to be treated makes it possible to limit the quantity of oxygen in the system and, consequently, the rate of oxidation of the iron. zero-valent, in other words, the consumption of zero-valent iron.
  • Oxygenation of the water to be treated can advantageously be carried out if the oxygen saturation rate of the latter is less than 30% in saturation percentage. This oxygenation is carried out by any technique allowing this enrichment of dissolved oxygen, such as cascade or preliminary runoff.
  • the invention it is possible to start from water to be treated which has undergone prior treatment enabling it to have a concentration of suspended matter of less than 50 mg/L.
  • the objective is to avoid clogging of the first bed.
  • a phosphate concentration of less than 20 mg P-PO 4 3- /L we mean here the mg of phosphorus contained in the phosphates .
  • mg P we mean here the mg of phosphorus, whatever the form of phosphorus in the treated water.
  • water to be treated having a pH between 2 and 8, in particular between 2 and 7, in order to allow the implementation of oxidation and sorption mechanisms.
  • the iron-based material may be a product or waste consisting of zero-valent iron in particular in the form of chips, filaments or grains of millimetric to centimeter size, or of micrometric-sized powder, for example of 70 to 1000 ⁇ m, which may include alloy elements originating from its manufacture, the cumulative contents of Cr, Ni, Mo and Ti being advantageously less than 2% by weight of said product or waste.
  • the iron-based material may in particular have a specific surface area of between 0.6 and 15 m 2 /g, determined by taking microscopic images.
  • the support material for the iron-based material can be chosen from sand, pozzolan, gravel and mixtures thereof, and in particular have a millimetric size, for example from 1 to 10 mm.
  • the inert filter material of the second bed may be a grain material having in particular a particle size of 2 to 4 mm, preferably being sand.
  • the water to be treated can be passed through each of the two beds at a temperature of 1 to 40°C, in particular between 5 and 20°C, in order to avoid freezing.
  • the first bed is also gravity fed. Gravity power allows you to avoid energy costs.
  • the second bed has a triphasic character: water, air, solid material constituting it, which gives it its unsaturated character. It is this unsaturated character which allows natural aeration of the second bed, the air/water contact allowing the oxygenation of the water, and the dissolution of carbon dioxide from the air (carbonic acid) allowing the pH of the water to be reduced. water, to guarantee a pH value less than 8.5, for example 6.5-8 for the outlet water at the end of the process in order to discharge the latter into the natural environment.
  • the height of the first bed can be 30 to 70cm.
  • the height of the second bed can be from 20 to 60cm. A sufficient volume and surface area are thus guaranteed to allow maximum trapping of phosphates, good retention of leached particles, namely iron oxidation products, and limitation of clogging.
  • the speed of supply of water to be treated in the first bed can be from 3 to 50 cm/h, and the speed of supply in the second bed can advantageously be higher than in the first bed, being able to reach a few meters per hour.
  • the average residence time in the first bed can be from 1 to 10 hours.
  • the feeding of the beds can be continuous or discontinuous, by tarpaulins.
  • the invention is advantageously applied at the outlet of wastewater treatment by filters planted with reeds (FPR) with vertical or horizontal flow but its application can be extended to other forms of secondary treatment usual for Wastewater Treatment Stations.
  • Wastewater (STEU) 2000 Inhabitant Equivalents, such treatment having been carried out, for example, by biodisks, bacterial bed or sand filter.
  • the first bed rests on a layer of an inert draining material
  • the second bed rests where appropriate on a layer of inert draining material, said inert draining material being advantageously chosen from millimeter-sized gravel, for example 10 to 40 mm.
  • the first column made of glass, with a diameter of 3 cm and a height of 33 cm, contained a reactive material immersed in the water to be treated, this material being a material based on zero valence iron, which was in a filamentary form of size millimeter and was composed of 95% by weight of iron and less than 2% by weight for the cumulative contents of Cr, Ni, Mo and Ti.
  • This first column was followed by a second column, of the same size, filled with an inert filtering material consisting of sand with a particle size of 2-4 mm.
  • the first column was fed in an ascending manner with synthetic water to be treated containing 10 mg P-PO 4 3- /L while maintaining the reactive material of this column immersed in the water to be treated.
  • Feeding was carried out at a speed of 10 cm/h with a measured residence time of 2.6 hours.
  • the treated water from the first column was brought by gravity to the surface of the second filter column, where it percolated before being evacuated from the system.
  • the system was thus powered for 390 days, and the phosphorus contents and pH values were measured regularly at its inlet and outlet.
  • the pH at the reactor inlet was 7.5 ⁇ 0.2 and less than 8.5 at the system outlet once the reaction equilibrium was reached.
  • the phosphate concentrations at the inlet were 10 mg P-PO 4 3- /L and between 2.5 and 0.05 mg P/L at the system outlet.
  • the elimination efficiencies were maintained between 80 and 100% for more than 150 days then between 50 and 85% from 150 to 390 days.
  • the trapping capacities obtained for this laboratory experiment were 191 mg P/g Fe, or 25% higher than those obtained by the process described in the aforementioned article by N. Sleiman et al.
  • the experiment was carried out as a pilot in situ in a device as shown in Figure , on a low capacity wastewater treatment plant (100 Inhabitant Equivalents).
  • the treatment system included a first stage consisting of a plastic reactor 1 m high and 50 cm internal diameter, lined with 6 kg of steel wool, distributed over 40 cm in height, resting on 10 cm of a draining inert material.
  • the steel wool had a content greater than 95% by weight of iron and cumulative concentrations of less than 2% by weight for the elements Cr, Ni, Mo and Ti.
  • the inert draining material consisted of gravel measuring 20 – 40 mm.
  • the inert filtering material consisted of sand with a particle size of 2 – 4 mm and the inert draining material was the same as that indicated above.
  • the first stage of the system was fed by gravity with real wastewater, keeping the steel wool contained in this first stage always immersed in the wastewater to be treated.
  • the latter was real wastewater with an inlet pH of between 3.5 and 6.9 and an average phosphate concentration of 6.5 mg P-PO 4 3- /L (2.1 to 10.6 mg/ L).
  • Feeding was carried out at a speed between 7 and 12 cm/h for equivalent residence times ranging from 1.9 to 5.1 hours.
  • the experiment was carried out for 11 months during which the phosphorus contents and pH values were determined at the input and output of the pilot.
  • the pH downstream of the second stage reactors was between 5.7 and 7.9 throughout the experiment.
  • Phosphorus removal efficiencies were between 80 and 100% for 100 days then between 50 and 80% for the remainder of the experiment. Output contents of less than 2 mg P/L were achieved during more than 150 days of experimentation.
  • the experiment was carried out as a pilot in situ in a device as shown in Figure , on a low capacity wastewater treatment plant (100 Inhabitant Equivalents).
  • the treatment system included a first stage consisting of a plastic reactor 1 m high and 50 cm in internal diameter, filled with 90 kg of a mixture of iron-based material and support material, with a proportion of 7% by weight of the iron-based material and 93% by weight of the support material, distributed over 40 cm in height, resting on 10 cm of an inert draining material.
  • the iron material was iron filings and had a content of 98% by weight of iron, with the cumulative concentrations of Cr, Ni, Mo and Ti being less than 2% by weight.
  • the support material consisted of sand with a grain size of 2-4 mm.
  • the inert draining material consisted of gravel measuring 20 – 40 mm.
  • the filtering inert material was the same as the support material described above and the draining inert material was the same as that indicated above.
  • the first stage of the system was fed by gravity with real wastewater while maintaining the support material/iron filings mixture contained in this first stage always immersed in the wastewater to be treated.
  • the latter was real wastewater with an inlet pH of between 3.5 and 6.9 and an average phosphate concentration of 6.5 mg P-PO 4 3- /L (2.1 to 10.6 mg/ L).
  • Feeding was carried out at a speed between 7 and 12 cm/h for equivalent residence times ranging from 1.9 to 5.1 hours.
  • the experiment was carried out for 11 months during which the phosphorus contents and pH values were determined at the input and output of the pilot.
  • the pH downstream of the second stage reactors was between 5.7 and 7.9 throughout the experiment.
  • Phosphorus removal efficiencies were between 80 and 100% for 100 days then between 50 and 80% for the remainder of the experiment. Output contents of less than 2 mg P/L were achieved during more than 150 days of experimentation.

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Abstract

Procédé de traitement d'eaux usées pour éliminer les phosphates qu'elles contiennent Selon ce procédé, on part d'une eau à traiter ayant une concentration en oxygène dissous de 30% à 80% en pourcentage de saturation et on fait passer ladite eau à traiter à travers deux lits disposés en série, à savoir - un premier lit, qui est un lit fixe de matériau contenant du fer à valence zéro, maintenu immergé dans l'eau à traiter, et dans lequel le fer à valence zéro subit une oxydation progressive, les phosphates étant retenus par sorption sur les sous-produits d'oxydation du fer; et - un second lit, qui est un lit fixe de matériau filtrant inerte en vue de la rétention par filtration gravitaire des produits de réaction entre les sous-produits d'oxydation du fer et les phosphates qui ont pu être entraînés dans l'eau sortant du premier lit, le matériau dudit second lit n'étant jamais immergé complètement dans l'eau à traiter.

Description

Procédé de traitement d’eaux usées pour éliminer les phosphates qu’elles contiennent
La présente invention concerne l’élimination des phosphates dans les eaux usées urbaines, domestiques ou industrielles, par un système de rétention des phosphates par des matériaux renouvelables ou facilement accessibles, non toxiques, pouvant fonctionner sans dépenses énergétiques ni apport continu de réactifs, et permettant avantageusement un traitement d’eaux issues de Stations de Traitement des Eaux Usées (STEU) de faible capacité, telle que < 2000 Equivalents Habitants ou 120 kg DBO5/j.
Un procédé d’élimination des phosphates d’une solution aqueuse contenant 20 mg P/L a été décrit par N. Sleiman, V. Deluchat, M. Wazne, M. Mallet, A. Courtin-Nomade, V. Kazpard, M. Baudu, Water Research 99 (2016) 56-65. Selon ce procédé, l’eau à traiter circule en alimentation ascendante à travers trois couches successives de sable, de sable + fer de valence O, et de sable. Par ce procédé, d’une part le pH des eaux après traitement peut dépasser la limite réglementaire de 8,5, ce qui n’est pas acceptable, et, d’autre part, les performances de rétention des phosphates par le fer ne sont pas optimales.
La présente invention a pour objectif de définir un système montrant une capacité de piégeage importante.
La présente invention a donc pour objet un procédé de traitement des eaux usées urbaines, domestiques ou industrielles, pour éliminer les phosphates qu’elles contiennent, caractérisé par le fait que l’on part d’une eau à traiter ayant une concentration en oxygène dissous de 30% à 80% en pourcentage de saturation et que l’on fait passer ladite eau à traiter à travers deux lits disposés en série, à savoir :
  • un premier lit, qui est un lit fixe de matériau contenant du fer à valence zéro, maintenu immergé dans l’eau à traiter, et dans lequel le fer à valence zéro subit une oxydation progressive, les phosphates étant retenus par sorption sur les sous-produits d’oxydation du fer ; et
  • un second lit, qui est un lit fixe de matériau filtrant inerte en vue de la rétention par filtration gravitaire des produits de réaction entre les sous-produits d’oxydation du fer et les phosphates qui ont pu être entraînés dans l’eau sortant du premier lit, le matériau dudit second lit n’étant jamais immergé complètement dans l’eau à traiter.
Par saturation en oxygène de l’eau, on entend la quantité d’oxygène présente dans l’eau en pourcentage par rapport à la quantité totale d’oxygène que l’eau peut contenir, cette teneur étant variable en fonction des conditions physico-chimiques, telles que température, pression et salinité.
Le premier lit, dont le matériau est complètement immergé dans l’eau à traiter tout au long du procédé, et dans lequel aucun air ne circule peut être dit « saturé ».
Le second lit, dont le matériau n’est pas immergé dans l’eau à traiter et dans lequel de l’air est présent, peut être dit « insaturé ».
Dans le procédé selon l’invention, l’oxygène et l’eau induisent l’oxydation du fer à valence zéro, avec la formation d’ions ferreux et ferriques et de divers oxy-hydroxydes amorphes, tels que les rouilles vertes. Au cours du temps, ces formes amorphes évoluent vers des formes cristallisées, telle que la lépidocrocite ou la maghémite, lesquelles présentent des capacités d’adsorption beaucoup plus faibles (voir l’article précité de N. Sleiman et al.). Il convient de générer des supports de sorption de façon proportionnée par rapport au flux de phosphates à traiter. C’est pourquoi le fonctionnement selon la présente invention en colonne renfermant un lit de fer à valence zéro immergé dans l’eau à traiter permet de limiter la quantité d’oxygène dans le système et, par conséquent, le taux d’oxydation du fer à valence zéro, en d’autres termes, la consommation du fer à valence zéro.
Selon l’invention, on peut partir d’une eau à traiter ayant une concentration en oxygène dissous de 40 à 70% en pourcentage de saturation.
On peut effectuer avantageusement une oxygénation de l’eau à traiter si le taux de saturation en oxygène de cette dernière est inférieur à 30% en pourcentage de saturation. Cette oxygénation est effectuée par toute technique permettant cet enrichissement en oxygène dissous, telle que cascade ou ruissellement préalable.
De façon particulièrement préférée, selon l’invention, on peut partir d’une eau à traiter qui a subi un traitement préalable permettant d’avoir une concentration en matières en suspension inférieure à 50 mg/L. L’objectif est d’éviter le colmatage du premier lit.
De façon particulièrement préférée, selon l’invention, on peut partir d’une eau à traiter qui a subi un traitement préalable permettant d’avoir une concentration en phosphates inférieure à 20 mg P-PO4 3-/L pour obtenir, en fin de procédé, une eau traitée dont la concentration en phosphore est inférieure à 2 mg P/L. Par « mg P-PO4 3- », on entend ici les mg de phosphore contenu dans les phosphates. Par « mg P », on entend ici les mg de phosphore, quelle que soit la forme du phosphore dans l’eau traitée.
Selon l’invention, on peut partir d’une eau à traiter ayant un pH compris entre 2 et 8, en particulier entre 2 et 7, afin de permettre la mise en place des mécanismes d’oxydation et de sorption.
le matériau du premier lit peut être constitué par :
  • 5 à 100 % en poids d’un matériau à base de fer ayant 80 à 100 % en poids de fer de valence zéro ; et
  • 0 à 95 % en poids d’un matériau support du matériau à base de fer,
pour 100 % du matériau à base de fer et du matériau support.
En particulier, le matériau à base de fer peut être un produit ou déchet constitué par le fer de valence zéro se présentant notamment sous la forme de copeaux, filaments ou grains de taille millimétrique à centimétrique, ou de poudre de taille micrométrique, par exemple de 70 à 1000 µm, lequel peut comporter des éléments d’alliage provenant de sa fabrication, les teneurs cumulées de Cr, Ni, Mo et Ti étant avantageusement inférieures à 2 % en poids dudit produit ou déchet.
Le matériau à base de fer peut notamment présenter une surface spécifique comprise entre 0,6 et 15 m2/g, déterminée par prise d’images microscopiques.
Le matériau support du matériau à base de fer peut être choisi parmi le sable, la pouzzolane, le gravier et leurs mélanges, et présenter notamment une taille millimétrique, par exemple de 1 à 10 mm.
Le matériau filtrant inerte du second lit peut être un matériau en grains ayant notamment une granulométrie de 2 à 4 mm, étant de façon préférée du sable.
Selon l’invention, on peut faire passer l’eau à traiter dans chacun des deux lits à une température de 1 à 40°C, en particulier entre 5 et 20°C, afin d’éviter le gel.
Selon l’invention, on peut avantageusement prévoir que le premier lit soit également à alimentation gravitaire. L’alimentation gravitaire permet de s’affranchir des dépenses énergétiques.
Le second lit présente un caractère triphasique : eau, air, matériau solide le constituant, ce qui lui confère son caractère insaturé. C’est ce caractère insaturé qui permet une aération naturelle du second lit, le contact air/eau permettant l’oxygénation de l’eau, et la dissolution du dioxyde de carbone de l’air (acide carbonique) permettant de diminuer le pH de l’eau, pour garantir un pH de valeur inférieure à 8,5, par exemple de 6,5-8 pour l’eau de sortie en fin de procédé afin de rejeter cette dernière au milieu naturel.
La hauteur du premier lit peut être de 30 à 70cm. La hauteur du second lit peut être de 20 à 60cm. Sont ainsi garantis un volume et une surface suffisante pour permettre un piégeage maximal des phosphates, une bonne rétention des particules lessivées, à savoir les produits d’oxydation du fer, et la limitation du colmatage.
Selon l’invention, la vitesse d’alimentation en eau à traiter dans le premier lit peut être de 3 à 50cm/h, et la vitesse d’alimentation dans le second lit peut avantageusement être plus élevée que dans le premier lit, pouvant atteindre quelques mètres par heure.
Selon l’invention, le temps de séjour moyen dans le premier lit peut être de 1 à 10h.
L’alimentation des lits peut être continue ou discontinue, par bâchées.
L’invention s’applique avantageusement en sortie d’un traitement des eaux usées par filtres plantés de roseaux (FPR) à écoulement vertical ou horizontal mais son application peut être étendue à d’autres formes de traitement secondaires usuels pour les Stations de Traitement des Eaux Usées (STEU) < 2000 Equivalents Habitants, un tel traitement ayant été conduit, par exemple, par biodisques, lit bactérien ou filtre à sable.
On peut avantageusement récupérer, en vue de l’utiliser comme fertilisant, le matériau ferreux du premier lit lorsque ce dernier ne permet plus le piégeage des phosphates.
Conformément à une caractéristique particulière du procédé selon l’invention, le premier lit repose sur une couche d’un matériau inerte drainant, et le second lit repose le cas échéant sur une couche de matériau inerte drainant, ledit matériau inerte drainant étant avantageusement choisi parmi les graviers de taille millimétrique, par exemple de 10 à 40 mm.
Les Exemples suivants illustrent la présente invention sans toutefois en limiter la portée.
Exemple 1
L’expérimentation a été réalisée en laboratoire dans un système, tel que représenté à la , lequel est constitué de deux colonnes, montées en série.
La première colonne, en verre, de diamètre 3cm et de hauteur 33 cm, contenait un matériau réactif immergé dans l’eau à traiter, ce matériau étant un matériau à base de fer de valence zéro, lequel se présentait sous une forme filamenteuse de taille millimétrique et était composé de 95% en poids de fer et de moins de 2% en poids pour les teneurs cumulées de Cr, Ni, Mo et Ti.
Cette première colonne était suivie d’une seconde colonne, de même dimension, garnie d’un matériau inerte filtrant constitué par du sable de granulométrie 2-4 mm.
On a alimenté la première colonne de manière ascendante par une eau synthétique à traiter contenant 10 mg P-PO4 3-/L en maintenant le matériau réactif de cette colonne immergé dans l’eau à traiter.
L’alimentation a été effectuée à une vitesse de 10 cm/h avec un temps de séjour mesuré de 2,6 heures.
L’eau traitée issue de la première colonne a été amenée de manière gravitaire à la surface de la seconde colonne filtrante, où elle a percolé avant d’être évacuée du système.
Le système a ainsi été alimenté pendant 390 jours, et les teneurs en phosphore et les valeurs de pH ont été mesurées régulièrement à son entrée et à sa sortie.
Résultats
Le pH en entrée de réacteur était de 7,5 ± 0,2 et inférieur à 8,5 en sortie du système une fois l’équilibre réactionnel atteint.
Les concentrations en phosphates en entrée étaient de 10 mg P-PO4 3-/L et comprises entre 2,5 et 0,05 mg P/L en sortie du système. Les rendements d’élimination ont été maintenus entre 80 et 100% pendant plus de 150 jours puis entre 50 et 85% de 150 à 390 jours.
Les capacités de piégeage obtenues pour cette expérimentation en laboratoire étaient de 191 mg P/g Fe, soit 25% supérieures à celles obtenues par le procédé décrit dans l’article précité de N. Sleiman et al.
Exemple 2
L’expérimentation a été réalisée en pilote in situ dans un dispositif tel que représenté à la , sur une station de traitement des eaux usées de faible capacité (100 Equivalents Habitants).
La filière de traitement comportait un premier étage constitué par un réacteur en matière plastique de 1 m de hauteur et 50 cm de diamètre interne, garni de 6 kg de paille de fer, répartis sur 40 cm de hauteur, reposant sur 10 cm d’un matériau inerte drainant.
La paille de fer présentait une teneur supérieure à 95% en poids de fer et des concentrations cumulées inférieures à 2% en poids pour les éléments Cr, Ni, Mo et Ti. Le matériau inerte drainant était constitué par des graviers de dimension 20 – 40 mm.
Un second étage, de dimension identique au premier, était monté en série pour faire office de filtre avec une couche de matériau inerte filtrant de 40 cm de hauteur surmontant 10 cm du matériau inerte drainant. Le matériau inerte filtrant était constitué par du sable de granulométrie 2 – 4 mm et le matériau inerte drainant était le même que celui indiqué ci-dessus.
On a alimenté de façon gravitaire le premier étage du système par une eau usée réelle en maintenant la paille de fer contenue dans ce premier étage toujours immergé dans l’eau usée à traiter. Cette dernière était une eau usée réelle présentant un pH en entrée compris entre 3,5 et 6,9 et une concentration en phosphates moyenne de 6,5 mg P-PO4 3-/L (2,1 à 10,6 mg/L).
L’alimentation a été effectuée avec une vitesse comprise entre 7 et 12 cm/h pour des temps de séjour équivalents allant de 1,9 à 5,1 heures.
L’expérimentation a été conduite pendant 11 mois pendant lesquels les teneurs en phosphore et les valeurs de pH ont été déterminées en entrée et en sortie du pilote.
Résultats
Le pH en aval des réacteurs du second étage était compris entre 5,7 et 7,9 tout au long de l’expérimentation.
Les rendements d’élimination en phosphore ont été compris entre 80 et 100% pendant 100 jours puis entre 50 et 80% sur le reste de l’expérimentation. Des teneurs en sortie inférieures à 2 mg P/L ont été atteintes pendant plus de 150 jours d’expérimentation.
Exemple 3
L’expérimentation a été réalisée en pilote in situ dans un dispositif tel que représenté à la , sur une station de traitement des eaux usées de faible capacité (100 Equivalents Habitants).
La filière de traitement comportait un premier étage constitué par un réacteur en matière plastique de 1 m de hauteur et 50 cm de diamètre interne, garni de 90 kg d’un mélange de matériau à base de fer et de matériau support, avec une proportion de 7% en poids du matériau à base de fer et de 93% en poids du matériau support, répartis sur 40 cm de hauteur, reposant sur 10 cm d’un matériau inerte drainant.
Le matériau à base de fer était de la limaille de fer et présentait une teneur de 98% en poids de fer, les concentrations cumulées de Cr, Ni, Mo et Ti étant inférieures à 2 % en poids.
Le matériau support était constitué par du sable de granulométrie 2-4 mm.
Le matériau inerte drainant était constitué par des graviers de dimension 20 – 40 mm.
Un second étage, de dimension identique au premier, était monté en série pour faire office de filtre avec une couche de matériau inerte filtrant de 40 cm de hauteur surmontant 10 cm du matériau inerte drainant. Le matériau inerte filtrant était le même que le matériau support décrit ci-dessus et le matériau inerte drainant était le même que celui indiqué ci-dessus.
On a alimenté de façon gravitaire le premier étage du système par une eau usée réelle en maintenant le mélange matériau support/limaille de fer contenu dans ce premier étage toujours immergé dans l’eau usée à traiter. Cette dernière était une eau usée réelle présentant un pH en entrée compris entre 3,5 et 6,9 et une concentration en phosphates moyenne de 6,5 mg P-PO4 3-/L (2,1 à 10,6 mg/L).
L’alimentation a été effectuée avec une vitesse comprise entre 7 et 12 cm/h pour des temps de séjour équivalents allant de 1,9 à 5,1 heures.
L’expérimentation a été conduite pendant 11 mois pendant lesquels les teneurs en phosphore et les valeurs de pH ont été déterminées en entrée et en sortie du pilote.
Résultats
Le pH en aval des réacteurs du second étage était compris entre 5,7 et 7,9 tout au long de l’expérimentation.
Les rendements d’élimination en phosphore ont été compris entre 80 et 100% pendant 100 jours puis entre 50 et 80% sur le reste de l’expérimentation. Des teneurs en sortie inférieures à 2 mg P/L ont été atteintes pendant plus de 150 jours d’expérimentation.

Claims (13)

1 - Procédé de traitement des eaux usées urbaines, domestiques ou industrielles, pour éliminer les phosphates qu’elles contiennent, caractérisé par le fait que l’on part d’une eau à traiter ayant une concentration en oxygène dissous de 30% à 80% en pourcentage de saturation et que l’on fait passer ladite eau à traiter à travers deux lits disposés en série, à savoir :
  • un premier lit, qui est un lit fixe de matériau contenant du fer à valence zéro, maintenu immergé dans l’eau à traiter, et dans lequel le fer à valence zéro subit une oxydation progressive, les phosphates étant retenus par sorption sur les sous-produits d’oxydation du fer ; et
  • un second lit, qui est un lit fixe de matériau filtrant inerte en vue de la rétention par filtration gravitaire des produits de réaction entre les sous-produits d’oxydation du fer et les phosphates qui ont pu être entraînés dans l’eau sortant du premier lit, le matériau dudit second lit n’étant jamais immergé complètement dans l’eau à traiter.
- Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l’on part d’une eau à traiter :
  • qui a subi un traitement préalable permettant d’avoir une concentration en matières en suspension inférieure à 50 mg/L ; et/ou
  • qui a subi un traitement préalable permettant d’avoir une concentration en phosphates inférieure à 20 mg P-PO4 3-/L pour obtenir, en fin de procédé, une eau traitée dont la concentration en phosphore est inférieure à 2 mg P/L ; et/ou
  • qui a un pH compris entre 2 et 8, en particulier entre 2 et 7.
- Procédé selon l’une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le matériau du premier lit est constitué par :
  • 5 à 100 % en poids d’un matériau à base de fer ayant 80 à 100 % en poids de fer de valence zéro ; et
  • 0 à 95 % en poids d’un matériau support du matériau à base de fer,
pour 100 % du matériau à base de fer et du matériau support.
- Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le matériau à base de fer est un produit ou déchet constitué par le fer de valence zéro se présentant notamment sous la forme de copeaux, filaments ou grains de taille millimétrique à centimétrique, ou de poudre de taille micrométrique, lequel peut comporter des éléments d’alliage provenant de sa fabrication, les teneurs cumulées de Cr, Ni, Mo et Ti étant avantageusement inférieures à 2 % en poids dudit produit ou déchet.
- Procédé selon l’une des revendications 3 et 4, caractérisé par le fait que le matériau à base de fer présente une surface spécifique de 0,6 à 15 m2/g.
- Procédé selon l’une des revendications 3 à 5, caractérisé par le fait que le matériau support du matériau à base de fer est choisi parmi le sable, la pouzzolane, le gravier et leurs mélanges, et présente notamment une taille millimétrique.
- Procédé selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que le matériau filtrant inerte du second lit est un matériau en grains ayant notamment une granulométrie de 2 à 4 mm, étant de façon préférée du sable.
- Procédé selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que l’on fait passer l’eau à traiter dans chacun des deux lits à une température de 1 à 40°C, en particulier entre 5 et 20°C.
- Procédé selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que le premier lit est également à alimentation gravitaire.
- Procédé selon l’une des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que la hauteur du premier lit est de 30 à 70cm et la hauteur du second lit est de 20 à 60cm, et/ou que la vitesse d’alimentation en eau à traiter dans le premier lit est de 3 à 50cm/h et la vitesse d’alimentation dans le second lit est plus élevée que dans le premier lit, et/ou que le temps de séjour moyen dans le premier lit est de 1 à 10h.
- Procédé selon l’une des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait que l’alimentation des lits est continue ou discontinue, par bâchées.
– Procédé selon l’une des revendications 1 à 11, caractérisé par le fait que l’on récupère, en vue de l’utiliser comme fertilisant, le matériau ferreux du premier lit lorsque ce dernier ne permet plus le piégeage des phosphates.
- Procédé selon l’une des revendications 1 à 12, caractérisé par le fait que le premier lit repose sur une couche d’un matériau inerte drainant, et le second lit repose le cas échéant sur une couche de matériau inerte drainant, ledit matériau inerte drainant étant avantageusement choisi parmi les graviers de taille millimétrique.
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WO2011035263A2 (fr) * 2009-09-18 2011-03-24 Yongheng Huang Composite fer à valence nulle/minéral à oxyde de fer/fer ferreux pour traitement de fluide contaminé

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