Nouveau procédé de recyclage du Phosphore issu des effluents concentrés Séminaire Phoph Or, Rennes 23 janvier 2014 Christophe Mêlé, Direction Technique Hervé Paillard, Direction Technique Stéphane Deleris, Aquiris (station Bruxelles Nord) Jonathan Bardoux, Pôle agronomique
Sommaire Le phosphore dans les stations d épuration Le projet européen P-REX La technologie STRUVIA développée par Veolia
1 Le phosphore dans les stations d épuration
Devenir du phosphore dans les STEP 1 EH = 2-2,5 g P total / jour avec env. 80% de soluble principalement sous forme Phosphates Deux voies de traitement: biologique (Bio-P) et physico-chimique (coagulant Fe ou Al) Les phosphates Bio-accumulés (Bio-P) sont relargués au cours d une Digestion Anaérobie à hauteur d env. 15% Les phosphates bloqués par co-précipitation ne sont pas relargués et se retrouvent dans les boues Concentration de P-PO4 observée dans les retours en tête : de 30 mg/l à 250 mg/l (cas effluent après hydrolyse thermique des boues)
Précipitation non contrôlée du P dans les STEP. Struvite = MAP = Magnésium Ammonium Phosphate hexahydraté NH 4+ + Mg 2+ + H n PO 4 n-3 + 6 H 2 O -> NH 4 MgPO 4, 6(H 2 O) + nh + La struvite, c est d abord : un problème d exploitation : Précipitation de cristaux dans des canalisations ou pompes de boues digérées ou issues de traitement thermique La struvite, c est aussi un fertilisant : (5-28-0)+10% Mg = 5 %N - 28 %P 2 O 5 (0% K 2 O)+10 %Mg Diffusion lente -> intéressant pour les plantes
Comment faire pour produire de la Struvite? Pré-requis = effluent concentré Forte concentration en phosphates : P-PO 4 > 60-80 mg/l Concentration en NH 4 suffisante (N-NH4 > 60-70 mg/l) Process nécessaires : Bio-déphosphatation des eaux usées Digestion anaérobie des boues Une déphosphatation physico-chimique améliore les économies et donc le RSI Station avec ou sans problème de struvite Où placer un procédé de précipitation dans la filière? A la sortie de la Digestion Anaérobie : Sur les boues (avant déshydratation) Sur les centrats / filtrats de déshydratation A partir des boues ou de leurs cendres d incinération -> Lixiviation et séparation liquide / solide obligatoires
Récupération du P sur une station d épuration
2 Le projet européen P-REX
P-REX consortium
Objectifs du projet P-REX Démonstration et validation systématique des procédés de récupération du P sur des installations à grande échelle Evaluation systématique et validation de la qualité des produits de recyclage obtenus (disponibilité du phosphore pour la plante, éco-toxicité) Analyse des obstacles du marché et le potentiel pour les technologies de récupération du P et les produits recyclés Développement de stratégies et de recommandations pour une récupération efficace du phosphore à partir des eaux usées au regard des conditions locales spécifiques
Objectifs du projet P-REX Sensibilisation accrue du public pour les problèmes liés au P Initier une coopération multi-acteurs Combler les écarts entre la science, la politique et l'industrie Transformation de la recherche et de l'expérience pratique en innovation Mise en œuvre, à l'échelle européenne, de la récupération du Phosphore des eaux usées, avec le respect des conditions et exigences locales
Pour en savoir plus sur le projet P-REX : www.p-rex.eu Regarder le résumé de 2 minutes sous : https://vimeo.com/78539404
3 La technologie STRUVIA développée par Veolia
Expériences Veolia au Japon (depuis 1987) Technologie Phostrip (SKS) = BRM anaérobie + cristalliseur de HAP ou MAP (à lit fluidisé) 1 unité pilote + 3 références : Urabandai plant (HAP) Hakusyu Distillery (MAP) Kyoto Distillery (MAP) Conditions retenues : HRT=60 min, ph 8, Mg/P=1-1.1, Abattement P=70-80%, Taille des particules = 0,3-2 mm for MAP (HAP: 0,2-0,5 mm) Concept breveté par NISHIHARA = Utilisation d eau de mer comme source de Mg pour la precipitation de struvite 1 pilote (réacteur à lit fluidisé) - Kitakyushu city (station Hiagari) 9-10%d eau de mer, ph>7.8, HRT>30 min, Mg/P>1.5, P abattu>70%
Technologie STRUVIA = 2 configurations possibles FLOW SCHEME STRUVIA process Digested sewage sludge (2.5% TS) SLUDGE DEWATER- ING Polymer Electr Centrifuge/ Filtration Sludge P-3 Sludge disposal Liquor Electr Pump Electr MAP CRYSTALL- IZATION FROM SLUDGE LIQUOR Electr MgCl 2 (+ NaOH) Struvia P-12 Reactor without lamella Liquor Pump Electr Lamella P-2 Supernatant Settler MAP sludge WWTP P-4 influent MAP separator (draining) Liquor P product (MAP)
Technologie STRUVIA = 2 configurations possibles FLOW SCHEME STRUVIA process Digested sewage sludge (2-5% TS) SLUDGE DEWATER- ING Polymer Electr Centrifuge/ Filtration Sludge P-440 Sludge disposal Liquor Electr Pump MAP CRYSTALL- IZATION FROM SLUDGE LIQUOR Electr MgCl 2 (+ NaOH) Struvia Reactor with lamella Liquor WWTP influent MAP separator (draining) Liquor P product (MAP)
Technologie Struvia Récemment breveté par Veolia Brevets WO2013150222 & FR2989079 Dispositif compact pour le traitement des eaux Initialement développé pour l adoucissement de l eau Plusieurs avantages : 1 unique réacteur Absence de décanteur Pas de boucle, ni de pompe de recirculation Emprise au sol et coûts d investissement et d exploitation (électricité) plus faibles
Plan de développement Veolia Evaluation des technologies existantes Essais laboratoire Essais mini-pilote Essais pilote de démonstration P-REX Station d épuration de Bruxelles Nord Partenaires : AQUIRIS (exploitant Veolia - step Bruxelles Nord) VERI (centre R&D de Veolia) Pôle agronomique de Veolia VWS&T-OTV (pôle Ingénierie et construction de Veolia) Participants P-REX
Résultats Essais laboratoire et mini-pilote Conditions optimales pour la précipitation de struvite : ph 8 à 9 30min à 1h de réaction Mg/P=1,1-1,3 Abattement P-PO4 soluble = 80-90% (env. 20 mg/l de P- PO4 soluble résiduel) Abattement N-NH4 soluble = env. 4-5% (fonction [N-NH4] de l effluent)
Résultats Essais laboratoire et mini-pilote Differentes sources de Mg testées : MgCl 2, MgSO 4, MgCO 3, MgO, Mg(OH) 2, sous-produits contenant du MgCl 2 ou du MgO MgCl 2 33%, sous-produit liquide provenant des mines de potasse, MgO 80% provenant des mines de magnésie. -> produit finement broyé et injecté en suspension. Mg/P=2 nécessaire. Augmentation du ph intéressante.
Pilote P-REX Caractéristiques : 100-1000 l/h Régulation du ph par injection de soude (ou de chaux) Vitesse d agitation variable: 30-300 tr/m Volume total du réacteur = 550 l Précipitation MAP privilégié (ou CaP) Objectifs de l étude pilote : Tester differents effluents Abattement P-PO4 sol. 80% Taux de capture struvite 80% Qualité de la struvite en accord avec les recommandations fournies par notre pôle agronomique
Traitement des boues Step Bruxelles Gravity Thickening Storage Post thickening centrifugation Hydrolysis Digestion Centrates Q 1650 m3/j P-PO4 100 mg/l 165 kg/d N-NH4 35 mg/l 57,75 kg/d Mg 15 mg/l 24,75 kg/d ph 7,5 Temp 15 C TSS 1-3 g/l OVH (Athos ) Centrifugation Filter press Lamella decantation Supernatant Sludge disposal Centrates Q 420 m3/j P-PO4 200 mg/l 84 kg/d N-NH4 2100 mg/l 882 kg/d Mg 2 mg/l 0,84 kg/d ph 8,2 Temp 15 C TSS 2-5 g/l Technosand Filtrate Q 550 m3/j P-PO4 260 mg/l 143 kg/d N-NH4 3600 mg/l 1980 kg/d Mg 2 mg/l 1,1 kg/d ph 8,4 Temp 60 C TSS < 1 g/l
Résultats Etude pilote P-REX Effluent O.V.H. (Athos ) seul ph = 8-9 Sol. P-PO4 = 200-250 mg/l Sol. N-NH4 = 3-4 g/l MES < 1 g/l DCO tot. = 15 g/l Ca < 10 mg/l Mg < 10 mg/l Précipitation PO4 ok (>80%) Mais difficulté de cristallisation et décantation - probablement dû aux AGV et/ou la salinité élevée - Problème déjà observé avec technologie à lit fluidisé - Tests VERI complémentaires en cours
Résultats Etude pilote P-REX Mélange effluent O.V.H. Athos + centrat boue épaissie ph = 7-8,5 Sol. P-PO4 = 80-130 mg/l Sol. N-NH4 = 100-1000 mg/l MES = 0,5-10 g/l DCO tot. = 2-6 g/l Ca = 80-150 mg/l Mg 30 mg/l Précipitation PO4 ok ( 80%) Taux de capture MAP > 80% (80 à 95%) N/P > 2,0 nécessaire dans l effluent Impact négatif des MES élevées. Idéalement < 1-2 g/l Quand Ca/P > 0.5, précipitation de CaP amorphe possible
Résultats Etude pilote P-REX Effluent industriel (IAA après traitement biologique) ph = env. 7 Sol. P-PO4 = env. 150 mg/l (et ponctuellement 300 mg/l) Sol. N-NH4 = 150-850 mg/l MES < 100 mg/l DCO tot. < 100 mg/l Ca = 80-150 mg/l Mg 30 mg/l Précipitation PO4 excellente (85-95%) Taux de capture MAP > 95% N/P > 2,0 nécessaire Quand Ca/P > 0,5, précipitation de CaP amorphe possible
Clichés MEB Taille de particules 100 à 500µm
Phase de démarrage Absence d ensemencement
Essais d égouttage de la struvite Après simple égouttage : siccité à 40 C = 60-65% Après stockage durant plusieurs semaines (séchage atmosphérique) : siccité à 40 C = 80-90% Après séchage à 40 C : humidité libre < 1%
Qualité de la struvite obtenue Total P = 12,5-13 %m (env. 28-29%m de P 2 O 5 ) Total N = 5-5,5 %m Mg = 9,5-10,5%m Ca = 0,5-2 g/kg (jusqu à 2,5%m quand abattement de calcium observé avec certain effluents) K = 1-1,5 g/kg SiO 2 = around 2 g/kg SO 4 = 300-400 mg/kg Fe = 300-500 mg/kg Al = 50-100 mg/kg Mn = 30-40 mg/kg Zn = 30-40 mg/kg Cu = around 3 mg/kg Cr = around 2 mg/kg Cd < 2 mg/kg Ni < 2 mg/kg Pb < 2 mg/kg Sn < 2 mg/kg Se < 0,5 mg/kg As < 0,5 mg/kg Hg < 0,1 mg/kg
Actions en cours ou futures (2014) Essais centrat de boue digérée Different effluents industriels testés avec succès : Effluent acide Industrie chimique (précipitation CaP) Centrat de codigestion de substrats carbonés (MAP) Effluent amidonnerie (MAP) Effluent acide IAA (CaP) Prétraitement biologique primordial Essais d intégration de la struvite dans les fertilisants organo-minéraux produits par Veolia (création de bouchons) Réglementation REACH
Technologie STRUVIA disponible en 2014 Merci de votre attention christophe.mele@veolia.com