Recyclage et valorisation du phosphore des effluents : des solutions face à l épuisement des ressources naturelles Toulouse France 23 Novembre 2011

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1 Recyclageetvalorisationduphosphoredeseffluents:dessolutionsfaceà l épuisementdesressourcesnaturelles ToulouseFrance 23Novembre2011 Résumé Le séminaire phosphore a été organisée dans le contexte du programme de recherche ANR «Phosph Or»parl INSAdeToulouse,leCemagrefdeRennesetMidi PyrénéesInnovation.Ilaréuni des scientifiques, des acteurs industriels du traitement de l eau et des effluents agricoles et agroalimentaires et des organismes agricoles pour échanger sur les perspectives de recyclage du phosphoreàpartirdeseffluents,surlesdébouchésconcernantlesmarchésdesfertilisants,etles critèresqualitatifsattendusparlesfutursutilisateurs. Synthèse LaconférencesurlerecyclageetlaréutilisationdephosphoreorganiséeàToulouse(France)le23 Novembre 2011, a réuni des scientifiques, des acteurs industriels du traitement de l eau et des effluents agricoles et agro industriels ainsi que des représentants du secteur agricole. Le Cemagref de Rennes et l INSA de Toulouse coordonnent plusieurs projets sur le recyclage du phosphate, intégrantlesaspectsscientifiquesdelachimiedelastruviteetdesphosphatescalciquesainsiquela miseenapplicationsurleslisiersetrejetsindustrielsagroalimentaires.laprésencedescentresde compétence en gestion de ce type d effluents, positionne les régions Midi Pyrénées et Bretagne commedesrégionsleaderssurlathématiquedurecyclageduphosphore. La conférence a permis la présentation des différents procédés expérimentaux de recyclage du phosphore,desprocédéspilotesassociésetdesinnovationsd'oresetdéjàmisesenœuvreauniveau industriel(cirsee SuezEnvironnement). Introduction Christopher Thornton (Centre Européen d Études des Polyphosphates), représentant les industries des phosphates (Thermphos International, Prayon et Tesserlando étaient également présents à ce séminaire) a ouvert la journée. Il a présenté les enjeux concernant l'approvisionnement en ressources de phosphate: une ressource non renouvelable, pour laquelle l'évaluation des réserves faitdébat,avecunprixenaugmentation,unequalitéquidiminue,etunedisponibilitésoumiseàdes enjeuxgéopolitiques. Laréductionetl'optimisationdel utilisationdesphosphates,etleurrecyclage,s'avèrentnécessaires pourledéveloppementdurable.ceconstatestdésormaisreconnudansungrandnombredepays, etestàl'originedenombreusesinitiatives. Page 1

2 LesprocédésduprojetANRPhosph OR Marie Line Daumer (Cemagref de Rennes), Angéla Manas et Mathieu Sperandio (LISBP INSA Toulouse)etSandraRodière(Valbio)onteffectuédesprésentationssurlesprocédésettechnologies encoursdedéveloppementsurl'exploitationdesdéjectionsanimales,oueffluentslaitiers,dansle cadred'untraitementintégré:précipitationduphosphoresolubleousolubiliséàpartirdelafraction solide des déchets, (par l'acide formique), sous forme de struvite (procédé chimique) ou d hydroxyapatite(parvoiebiologiqueetprécipitationinduitepardesmicro organismes).leprojetà cejourcomprendtroisréacteurspilotes(10litres,300litreset1000litres).unréacteurde150m 3 estprévupour2013.lesprocédéssontappliquésauxlisiersdeporcetauxeauxuséesdeproduction defromage.(pourplusd informationsurleprogrammephosph Or: Aurélie Capdevielle(Cemagref de Rennes) et Mathieu Spérandio(INSA Toulouse) ont présenté des travaux de modélisation concernant la chimie de la struvite et des apatites. Les résultats expérimentauxmontrentnotammentque,pourobtenirdescristauxdestruvitedetailleimportante, les ions ammonium doivent être en excès alors que la concentration de magnésium et le ph sont limitésparlasolubilitéréduitedumgo.cestravauxdoiventaboutiràunmodèleprédictif,prenant en compte les concentrations en ions présents dans les eaux usées, les conditions de fonctionnement,etpermettreauxopérateursdelimiterlesdépôtsindésirablesdanslesréacteurset surl'ensembledeséquipements,d'optimiserlalocalisationdesprécipitations. Unedeuxièmephasedemodélisationestenphasededéveloppementsurleprocessusbiologique. Aérationetprécipitationdestruvite. Les travaux d'expérimentation et de modélisation ont montré la nécessité d'étudier l'impact de l'aération mise en œuvre pour le mélange, ou la volatilisation du gaz carbonique (utilisé pour augmenterleph)surlaprécipitationdelastruvite. L'aérationprovoqueaussilavolatilisationdel ammonium,pouvantaboutiràuneconcentrationde Mg P NH4 inférieure au seuil de saturation ionique, et ainsi à la redissolution de la struvite. Les résultatsobservésàlasuited'expérimentationssurleseffluentslaitiers,etsurlelisier,montrentla nécessité d'une meilleure compréhension de la prédiction des conditions de co précipitation des cristauxdestruviteaveclesphosphatesdecalcium. Lesprojetderecyclageduphosphoredeseauxuséesurbaines SuezEnvironnement. SamuelMartinduCIRSEE SuezEnvironnementaprésentélesprocessusencoursd'évaluationpour la récupération du phosphate pour deux installations de taille différente de traitement des eaux uséesmunicipales. Page 2

3 Au sein de la station d épuration de Strasbourg (1 million d'équivalent habitant), Suez et Ostara réalisent des tests de recyclage de phosphore sous forme de struvite à partir du flux de retour en têtedel eaudedéshydratationdesbouesdedigestionanaérobie.letraitementestréalisédansune installationpilotede120litres/heure.cettestationd épurationréaliseladéphosphatationparajout d aluminium,etledigesteurtraiteseulementlesbouesbiologiquessecondaires.lastationdoitàce jourutiliserdesinhibiteurschimiquespourempêcherdesdépôtsdestruvite.suezenvironnement estimequecettestationd épurationpourraitproduireenviron300tonnesdestruviteparan. Samuel Martin a également présenté un procédé testé par Suez Environnement, concernant la récupération du phosphate dans des petites stations avec des filtres tertiaires(projet MAREVAP Rhodanos).Cessystèmesbiologiquesprésententunefaibleefficacitéderécupérationduphosphore sauf pendant une phase de démarrage avant saturation du substrat en phosphore. Le système propose l'incorporation de roche de phosphate minéral(apatite) dans le substrat pour favoriser la réaction, initialement par adsorption et puis progressivement par précipitation de phosphate de calcium. Ce phosphate roche, enrichi par des phosphates précipités, pourrait probablement être utilisécommeengrais.plusieursessaisd installationsenconditionsréellesontétéréalisésavecdes pilotesdedifférentetaille:1,5m 2 ( l/j)àBagnols,10m 2 (1 10m 3 /jour)àevieu,1000m 2 (5 100m 3 /j)àmonampteuil. Lesrésultatsmontrentqu'environ80%duphosphoreestextraitaucoursdelapremièreannéede fonctionnement (par adsorption), et ensuite environ 60% du phosphore par précipitation, comparativementàseulement15%duphosphoreobtenudanslalignederéférencesansapatite. Réglementationdesfertilisantsissusdurecyclaged effluents Isabelle Robin (Evalor) a présenté le contexte réglementaire de la réutilisation des phosphates recyclés à partir des effluents. Nombre de législations d'origines diverses sont applicables, ce qui compliquel utilisationduphosphorerecyclé. Les phosphates provenant des eaux usées municipales ou de fumiers peuvent être soumis aux règlementsconcernantlesboues(plansd'épandage,exigencesdecontrôlededifférentsparamètres) ouêtresoumisauxrèglementsconcernantlesengrais(normesfrançaises,exigencesdeladirective européennesurlesengrais:exigencesd enregistrement,d'homologationetdecontrôlespécifiques, produitsavecdespropriétésdéfiniesetconstantes,utilisationsspécifiquesetvaleuragronomique prouvée). De plus, le phosphate récupéré à partir des fumiers est soumis à la réglementation européenne 1774/2002 (sous produits animaux non destinés à la consommation humaine) exigeant de démontrer l absence de risque pour la santé humaine de décrire complètement le processus de productiond enregistrerlesitedeproduction. Page 3

4 L'utilisationduphosphoreagricole SylvaineBerger(Solagro)aprésentélesdifférentsniveauxdephosphoredanslessolsagricolesetles tendances récentes dans l'utilisation d'engrais phosphatés en France. Une grande partie des terres agricoles françaises est pauvre en phosphore et les doses de traitement phosphate actuellement appliquéessontinadéquates.enmoyenne,lesagriculteursamendentenphosphateuneseulefois tous les deux ans, avec des doses (c. 24 kgp2o5/ha/an) plus élevées que les recommandations nationalesagronomiques(comifer).leposteengraiscorrespondà8,5%descoûtsd'exploitationdes agriculteurs. Monique Lineres (INRA) a présenté les travaux réalisés en laboratoire sur le ray grass (ivraie). La disponibilitéduphosphorededifférentesmatièresorganiquesouminéralesaétéévaluée(engrais minéraux,fumiers,solidesissusdesprocédésdeséparationdeseffluentsd élevageoudefilièrede traitementdeseauxuséescomprenantounonuneétapederecyclageduphosphore).lephosphore d un sol initialement pauvre en P a été marqué avec du 32 P radioactif. Plutôt que de mesurer l augmentationdecroissancerésultantdesapportsenphosphore,unratioaétécalculécomparant l'assimilation par la plante du phosphore ajouté à l assimilation du phosphore initialement présent danslesol.pourtouslesmatièresorganiquestestées,ceratioindiqueunedisponibilitédeplusde 80%duPajouté,comparéeàladisponibilitéd unengraisminéralsoluble.lesauteursenconcluent que,àlongterme,latotalitéduphosphoreajoutéausolcontribueraàlafertilitédusol. CédricCabanes(Agronutrition)aprésentédesperspectivespourledéveloppementd'approchesbioingénierie pour améliorer l'accessibilité du stock de phosphore du sol vis à vis des plantes, par exemple en cultivant des souches microbiennes capables d'accéder au phosphore du sol et de le libérer. Leséchangesaveclaprofessionagricoleetlesdistributeursd'engrais Unetableronde,animéeparRégisBabérian(Midi PyrénéesInnovation)aréunidesreprésentantsdu secteur agricole, les distributeurs d'engrais, et les scientifiques. Cette table ronde était composée d Anne Paulhe Massol (Arterris, coopérative agricole intégrant la distribution de fertilisants et fournitures agricoles), d Emmanuel Alonso (Chambre d'agriculture Hautes Pyrénées ), de Gérard Pargade (agriculteur et administrateur de la coopérative Frc2A), de Thierry Véronèse (pôle de compétitivitéagrimipinnovation),decédriccabanes(agronutrition),demathieuspérandio(lisbp INSA) et de Christopher Thornton (représentant de l'interprofession phosphate en Europe). Les échanges ont abordé les conditions d'achat et d utilisation des phosphates pour l agriculture, et celles pouvant être mises en œuvre pour anticiper la future production et distribution de phosphatesrecyclés. Page 4

5 Les distributeurs attendent un produit facile à mettre en œuvre sur l'ensemble de la chaîne d'utilisation,depuislestockagejusqu'àlamiseenœuvreauchamp: produitpropre,sec,facileàstocker,sansodeur,nipoussière granulométriefiable2 3mm spécificationsfiablesdesteneursenélémentsnutritifs, exemptdecontaminantsetmétauxlourds avecuneréponseagronomiquecorrespondantquinemodifiepaslephdessols avec un contexte réglementaire clair, précisant l utilisation en fonction des différentes originesdesproduitsderecyclage. Lespremiersrésultatsindiquentunfaibleniveaudecontaminationenmétauxlourdsdesphosphates recyclés, qui sont significativement moins contaminés que les engrais minéraux de la roche de phosphate. Les discussions ont distingué différentes approches de mise en œuvre selon les cultures et le contexteenvironnementaldesexploitations: Lesouhaitd'exploiterdesengraisàspécificationsprécises,permettantuneagriculturede précision et la restitution des nutriments à l'immédiate proximité des racines des plantes (par exemple avec des granules enrobées de polymères permettant la libération ciblée des éléments nutritifsdansletemps), l'utilisation de biosolides, où la bonne gestion des nutriments et de l'environnement est assurée par la réalisation de plans d'épandage. Les agriculteurs ont indiqué que cela peut être considéré comme une évolution vers un enrichissement global des sols incluant les apports organiquesetbiologiques,etnonplussimplementunegestiondel'équilibreminéral. D après les participants, les produits issus du recyclage du phosphore correspondent, en général, mieux à ce dernier type d'utilisation agricole car leur transformation en engrais de précision, impliquerait des coûts logistiques et de transformation pénalisants à la fois sur le plan économiqueetenvironnemental.l approchefonctionnelleestdifférentepourlesfertilisantsnitrates etphosphates:lesnitratespeuventêtrelessivésparl'eaudesurfaceousouterrainess'ilsnesontpas assimilésrapidementparlescultures(montrantainsil'intérêtdel'applicationd'engraisdeprécision), alors que les phosphates sont généralement maintenus et stockés dans le sol ne requérant pas la même précision d application. Certaines cultures, cependant, nécessitent d'appliquer le phosphore facilementdisponibleàdesmomentsclésdudéveloppement. L utilisation directe des boues du traitement des eaux, des lisiers ou des composts, est la voie optimale pour le recyclage du phosphore, chaque fois que cela est possible. Cependant, cette utilisation n est pas envisageable dans certains cas; concentration trop importante des élevages proximitéimmédiatesdesgrandesvilles(logistiquedequantités)oulorsquelesconcentrationsen Page 5

6 contaminants (métaux lourds, composés organiques, produits pharmaceutiques,...) dépassent les normes.laperceptionnégativedupublicpeutégalementêtreunfreinimportant. La quantité de phosphate potentiellement récupérable à partir des flux de déchets représente environ un tiers de la consommation d engrais minéraux. La production restera a priori, majoritairementlocaleetàpetiteéchellecomparéeàlacentralisationactuelledelaproductionet deladistributiondesengraisminéraux. Ladistributionetlacommercialisationrégionaledesproduitsphosphatésrecyclés,en fonctiondesgisementslocauxetdel'agriculturelocalesontdoncdesélémentsimportantsàprendre encompte. Christopher Thornton a conclu la journée en remerciant Midi Pyrénées Innovation et l'insa de Toulousepourl'organisationdeceséminaireetpourlaqualitédesparticipants,enparticulierpour leséchangesaveclesagriculteursetlesdistributeursd'engrais.lesacteursdelafilièrephosphate, les chercheurs devront s assurer que les phosphates recyclés correspondent au plus près aux besoinsdesutilisateurs.ilsoulignequelesfilièresderecyclageetderéutilisationduphosphoresont complexes,ellesimpliquentnécessairementungrandnombred'acteurs:l'industriedel'eauetdes déchets, l'agriculture, la production d'engrais, la distribution, les autorités, les régulateurs, les scientifiques,lespmefournisseursd'innovation.lessolutionsproposéesdoiventrencontreràterme l'acceptation du public. La gestion du phosphore est un problème de durabilité mondiale. Cependant, les discussions ont mis l accent sur la nécessité de mettre en place une approche régionale, en tenant compte des sources locales secondaires, du potentiel agricole, des circuits de distribution et des marchés. L'industrie du phosphate est déterminée à promouvoir et mettre en œuvrelarécupérationduphosphoredanslecadred'unavenirdurablepourlasociété. Page 6