Procédés de recyclage du phosphore à partir d effluents domestiques. Samuel Martin

Procédés de recyclage du phosphore à partir d effluents domestiques Samuel Martin

Impact des nouvelles réglementations sur le traitement du phosphore Augmentation du nombre de zones sensibles Nouvelles limites de qualité du milieu récepteur imposées par la Directive Cadre sur l Eau. Paramètres physico-chimiques soutenant la biologie très bon Limite des classes d'état bon moyen médiocre mauvais Nutriments PO 4 3- (mg PO 4 3- /L) 0.1 0.5 1 2 P tot (mg P/L) 0.05 0.2 0.5 1 NH 4+ (mg NH 4+ /L) 0.1 0.5 2 5 NO 2- (mg NO 2- /L) 0.1 0.3 0.5 1 NO 3 - (mg NO 3 - / L) 10 50 * * Nécessité de traitements tertiaires spécifiques pour atteindre ces concentrations au niveau des rejets de STEP. Coûts d investissement, coûts de réactifs, coûts énergétiques, coûts de gestion des boues. Recycler plutôt que traiter? 2

Le phosphore dans les eaux usées Apports de phosphore vers les masses d'eau en Europe élevage 34% industrie 7% fertilisants 16% déjections humaines 24% détergents 10% bruit de fond géochimique 9% Eaux usées Déjections humaines : environ 3 Millions Tonnes P /an, environ 10% de la production en mines de phosphates. Productions unitaires Rural domestique - 1.8 g P / hab*j) - 2.3 g P / (EH *j) Urbain - 2.5 g P / hab*j) - 2.1 g P / (EH *j) Stricker et Héduit, ONEMA 2010 3

Potentiel de valorisation de P en STEP Petites collectivités sans traitement de P FILIERE EAU Eau traitée 1,4 g EH/j 62% (soluble) PRETRAITEMENT TRAITEMENT BIOLOGIQUE (sans traitement P) CLARIFICATION Eau brute 2,3 g EH/j 100% FILIERE BOUES Boues 0,9 g EH/j 38% DESHYDRATATION 4

Potentiel de valorisation de P en STEP Grosses collectivités avec digestion anaérobie FILIERE EAU Eau traitée 0,2 g EH/j 10% TRAITEMENT BIOLOGIQUE (avec traitement P) Eau brute 2,1 g EH/j 100% Boues primaires 0,4 g EH/j 20% FILIERE BOUES Boues bio 1,5 g EH/j 70% assimilation 0,7 g EH/j - 32% traitement P biologique et/ou physico-chimique 0,8 g EH/j - 38% EPAISSISSEMENT DIGESTION DESHYDRATATION Boues global 1,9 g EH/j 90% ANAEROBIE Retours en tête 0 0,9 g EH/j Boues digérées 1 1,9 g EH/j 50-90% 0-40% (P soluble) 5

Potentiel de valorisation de P en STEP Technologies applicables FILIERE EAU Filtration sur phosphorites PRETRAITEMENT DECANTATION PRIMAIRE TRAITEMENT BIOLOGIQUE CLARIFICATION A FILIERE BOUES FLOTTATION B Relargage/ précipitation bio-p (ex: Phostrip) Précipitation de struvite (ex : OSTARA) C EPAISSISSEMENT DIGESTION ANAEROBIE DESHYDRATATION D Récupération à partir de boues (ex: SEABORNE) ou cendres (ex : SEPHOS) E 6

Valorisation de phosphate de calcium à partir de boues déphosphatantes Exemple : Procédé Phostrip Drnevich, 1979 Relargage du phosphore suraccumulé par bactéries déphosphatantes (max 40% P entrée STEP) Ajout 30 40 g CaO / m3 eau usée brute 7

Valorisation de struvite à partir de retours de digestion anaérobie. Essais pilotes à la STEP de Strasbourg

Principe du procédé OSTARA Références -Edmonton, Canada. -Portland, USA. -Hampton Roads, USA. -York, USA. -Rock Creek, USA. Commissioning 2011 -Slough (London), UK Commissioning 2011 Mg 2+ + NH + 4 + PO 3-4 ph control MgNH 4 PO 4, 6 H 2 O (struvite) 10

Essais pilotes à la STEP de Strasbourg Description du site Capacité 1 000 000 EH Déphosphatation physico-chimique AlCl 3 Digestion anaérobie de boues biologiques Concentrations en phosphates 2,9 mg/l P-PO4 eau brute 140 mg/l P-PO4 retours en tête ESSAIS PILOTES Objectifs : - Démontrer stabilité des performances - Evaluer coûts d exploitation (réactifs /maintenance) Mise en place du pilote : - Débit 120 L/h (0,3% du flux) - 2 phases de test : avec/sans ajout NaOH Analyses entrée/sortie : ph, TAC, N-NH 4, P- PO 4, Mg, MES, DCO, turbidité 11

Essais pilotes à la STEP de Strasbourg Premières conclusions Performances et stabilité de production de struvite vérifiées sur le site de Strasbourg. Coût des ajouts de réactifs (MgCl 2, NaOH) prépondérant. Le contrôle de ph n est pas indispensable mais permet d améliorer le rendement de récupération de struvite. Importance de la maîtrise de l atelier de déshydratation en amont pour limiter les apports en solides. Essais en cours pour évaluer impact de la variation de concentration en nutriments des retours et la qualité du produit. 12

Valorisation de phosphate de calcium à partir de cendres de boues d épuration Exemple : Procédé SEPHOS TU Darmstadt Potentiel de valorisation maximal : 90% du P entrée STEP. Requis : précipitation avec Al, et mono-incinération de boues. 14

Valorisation d apatite à partir d effluents de petites collectivités Projet MAREVAP Programme Rhodanos

Recherche de solutions durables pour traitement du phosphore en petites collectivités Système extensif de traitement permettant in-fine de valoriser le phosphore récupéré. Filtre horizontal garni de matériau à base d apatite P org. : relargage car biomasse immobilisée Assimilation par racines insuffisante Sorption irréversible sur matériaux spécifiques : apatite (Ca 5 (PO4) 3 (F,OH) (Molle et al., 2005) Objectifs du programme Critères de sélection des matériaux Règles de dimensionnement Contraintes de gestion de la filière. Coût et impact environnement 17

Sélection de matériaux 4 matériaux testés : phosphorites de différentes qualités provenant de mines de phosphates. BT HT AM d 10 (mm) 1.27 0.19 0.37 d 60 (mm) 4.02 9.21 2.79 %Fines <80µm 0.15 3.90 5.78 Porosité (%) 50 53 58 BT HT AM %Apatite 41.8 46.3 95.4 AM BT AT2 HT AT2 2.14 3.85 0.00 60 AT2 58.1 Critères de choix des matériaux : - Propriétés physiques: granulométrie, porosité et conductivité hydraulique. - Composition minéralogique: teneurs relatives d espèces minérales présentes (apatite et minéraux de la gangue). - Composition chimique: éléments chimiques (majeurs et traces). - Cinétiques de rétention du phosphore. Deux régimes cinétiques : - adsorption (cinétiques rapides) - précipitation (cinétiques lentes) k(h -1 ) 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Saturation level (g P.kg -1 of material) Rich quality (>90 %) Poor quality (40-60 %) 18

Essais en conditions réelles Echelle 1 : STEP Bagnols HT Apatite haute teneur HT+r Apatite haute teneur avec roseaux 20 cm 5 6 Apatite basse teneur 3 2 1 BT 20 cm 4 20 cm 8 7 9 30 cm 30 cm Pilotes de 1.5 m² alimentés en eau traitée secondaire en conditions hydrauliques contrôlées 150 500 l/j, 1 3 g Pt/m2/j Echelle 2 STEP Evieu 2nd stage VF2 Inlet HFapatite HFapatite 3rd stage HF Apatite : 2,2 x 7,2 x 0,6 m 1st stage VF1 Inlet Echelle 3 : STEP Monampteuil Piezometers Medium Outlet HF Pond HF River Inlet Medium Outlet Gravel filter: 9,2 x 7,2 x 0,6 m 1 section d apatite (BT) en étage 3aire 1 10 m3/j, 0.2 2 g Pt/m2/j 1000 m2 Apatite (HT) avec filtres plantés en étage 3aire. 5 100 m3/j (< 20% du débit nominal), 0.01 0.15 gtp/m2/j 19

Bilan global de performances de déphosphatation Etude pilote à Bagnols : - Rendement élimination > 80% (mode adsorption) pour tous les types d apatite, sortie < 1 mg P- PO 4 3- /l. Etude pleine échelle à Evieu (apatite basse teneur) : - Rendement élimination > 80% la 1ère année (mode adsorption), sortie < 1 mg P-PO 4 3- /l. - Rendement d élimination a chuté et s est stabilisé autour de 60% la 2ème année (mode précipitation), sortie < 3 mg P-PO 4 3- /l. - Ligne de réference sans apatite : rendement d élimination = 15%, sortie entre 4 7 mg P- PO 4 3- /l. Etude pleine échelle à Monampteuil (apatite haute teneur) : - Rendement d élimination > 80% sur 2 ans (mode adsorption), sortie phosphate non détectable (< 0.1 mg P-PO 4 3- /l). Precipité apatite (Ca/P=1.7±0.4) 20

Valorisation de phosphorites à partir d effluents de petites collectivités Stabilité à long terme des performances de l apatite à pleine échelle. Rendement élimination > 80%, avec sortie < 1 mg P-PO 4 3- /l. Bases de dimensionnement : environ 0.5 m 2 phosphorite /EH pour une durée de vie de 15 ans si : teneur apatite > 90% concentration DCO < 150 mg/l pas de court-circuits hydrauliques Impact environmental plus faible que l ajout de réactifs. Coûts d exploitation très faibles. Coût d investissement dépend fortement de la qualité du produit et des coûts de transport. Valorisation possible de l apatite en fin de vie du filtre, probablement via retour en filière industrielle de production d engrais. 21

Potentiel de valorisation de P en STEP Technologies applicables Valorisation à la source FILIERE EAU Filtration sur phosphorites PRETRAITEMENT DECANTATION PRIMAIRE TRAITEMENT BIOLOGIQUE CLARIFICATION A FILIERE BOUES FLOTTATION B Relargage/ précipitation bio-p (ex: Phostrip) Précipitation de struvite (ex : OSTARA) C EPAISSISSEMENT DIGESTION ANAEROBIE DESHYDRATATION D Récupération à partir de boues (ex: SEABORNE) ou cendres (ex : SEPHOS) E 22

Conclusions : du traitement à la valorisation du phosphore Contraintes croissantes pour le traitement de phosphore en STEP : intérêt à combiner objectifs de traitement et de valorisation. Valorisation à partir de boues : potentiel de 90% du flux eaux usées. Application agricole de boues, mais P peu mobilisable en cas de déphosphatation sur STEP et application non spécifique. STEP avec déphosphatation biologique : à privilégier dans optique de valorisation de phosphate de calcium à partir des boues biologiques. STEP > 100 000 EH avec digestion anaérobie : valorisation de struvite à partir des retours en tête (procédé type OSTARA). Si incinération de boues : récupération de P à partir de cendres. Valorisation à partir d eaux usées pour STEP < 10 000 EH avec place disponible : production d apatite sur filtres à bases de phosphorites. Efficacité maximale si valorisation à la source (urine). Le phosphore recyclé en STEP doit généralement passer par une chaîne de commercialisation de production d engrais. 23