Développement de procédés de recyclage du phosphore sous une forme valorisable en agriculture Les enjeux du recyclage à partir d effluents chargés
Contexte et objectif Recycler le P comme engrais phosphaté 2
Caractéristiques des effluents 70 Effluent brut 70 Effluent traité 60 60 50 50 g/l 40 30 fromagerie lisier eau usée g/l 40 30 20 20 10 10 0 MES DCO total DCO soluble 0 MES DCO total DCO soluble 4000 4000 3500 3500 3000 3000 2500 fromagerie 2500 mg/l 2000 1500 lisier eau usée mg/l 2000 1500 1000 1000 500 500 3 0 0 P-PO4 Ptotal N-NH4 NTK Ca total Mg total P-PO4 Ptotal N-NH4 NTK Ca total Mg total
Deux procédés originaux Du fait de la nature particulaire du P minéral dans les lisiers (Cemagref-Evalor-Odipure) De la volonté de traiter simultanément azote et phosphore dans un réacteur compact (LISBP-Valbio) Des préoccupations communes Simplicité de mise en œuvre et rusticité (PME ou élevage) Produits recyclables en agriculture Struvite (Mg + NH 4 + PO 4 + 6H 2 O) + phosphate calcique (?) 4
Cristallisation du P dans ces milieux chargés? Naissance de Phosph OR Procédé 1 Tâches 3, 4 et 5 P minéral particulaire (effluent d élevage, digestats, boues..) Procédé 2 P minéral dissous (eaux usées digestats ) acidification boues nitrification séparation dénitrification liquide liquide cristallisation liquide filtration Tâche 1 Questionnement commun : Nature des phosphates? Taille? Conditions optimales? Adéquation procédé/milieu? Modélisation? granulation décantation Solide à forte teneur en P minéral Tâche 6 Biodisponibilité du P//efficacité agronomique? Tâche 7 Impact économique et environnemental? 5 liquide Tâche 2
Partenariat et financement 4 laboratoires de recherche publics 4 PME Financement Coût total 2 mio ANR : 1,1 mio 6
Procédé de recyclage du Phosphore en continu à partir du lisier de porc traité Marie-Line Daumer Anne-Cécile Santellani 7
Les étapes du procédé 8
Acidification Acide formique (HCOOH) Choix des conditions opératoires Aucun ion indésirable supplémentaire Coût Séparation de phase Décantation Équipement très rustique Séparation solide liquide : 50% (en laboratoire) Table d égouttage Séparation solide liquide : 80% (en laboratoire) Moins rustique Polymère 9
Choix des conditions opératoires Cristallisation MgO (sous-produit industriel) Augmente le ph et apporte du magnésium simultanément Bon marché Compatible avec une utilisation à la ferme Peu soluble ( particules dans le produit final) Réacteur Filtration et conditionnement en sacs très rustique conditionnés par la taille des particules 10
Cristallisation Réacteur MgO Liquide issu de la séparation Filtrationconditionnement 11
Plan de screening des paramètres influents Facteurs Temps de séjour du liquide (débit de la pompe d alimentation) 24-48 heures Temps de séjour du solide (intervalle entre 2 soutirages) 4-72 heures Agitation 100-300rpm Température 5-25 C ph (quantité de MgO) 7,5-9,5 Réponses Qualité de la surverse P total, P dissous, DCO, N-NH 4+, Ca 2+, Mg 2+, ph Qualité et quantité du solide P, Mg, Ca, taille des cristaux 12
Principaux effets- ph et agitation Surverse P total particules P totala (mg/l) 80 70 60 50 40 30 20 10 0 ph 7,5 ph 9,5 nb/l 1,00E+11 1,00E+10 1,00E+09 1,00E+08 1,00E+07 1,00E+06 ph 7,5 ph 9,5 Décantat soutiré nb/l 13 1,00E+12 1,00E+11 1,00E+10 1,00E+09 1,00E+08 1,00E+07 1,00E+06 ph 7,5 ph 9,5 nb particules nb cristaux nb cristaux>100 Difficultés pour stabiliser le système àph 7,5 liées au mode de régulation et à la vitesse de dissolution de la magnésie L agitation rapide maintient les particules en suspension dans la zone intermédiaire (moins de particules dans la suspension)
Suivi en conditions intermédiaires stabilisées (en cours) Conditions Température : 20 C Agitation: 200t/min ph de consigne 8 0.2 Caractéristiques du surnageant acidifié P-PO 4 3- Mg 2+ Ca 2+ N-NH + Cl - 4 K + Na + 920 100 637 33 1465 31 240 10 2300 360 2265 55 1350 40 30mM 27mM 36mM 17mM Rapport N/P = 0,57 14
Evolution des concentrations dans la surverse 1600 12 mg/l 1400 1200 1000 800 600 400 200 10 8 6 4 2 ph P-PO4 NH4+-CI Mg2+ Ca2+ ph réacteur 0 0 0 50 100 150 200 temps (heures) Abattement du P dissous: 99% Mesure du P total en cours Dont 25% sous forme de struvite (d après abattement en N-NH 4+ ) Abattement du Ca : 50% Formation probable de phosphate calcique 15
Répartition du volume des particules par taille Entre 75 et 90% du volume est sous forme de particules de longueur > 100 µm 16
Méthodes statistiques d analyse morphometrique des particules (en cours de développement) batonnets amas Diverses (MO, CaP ) Premiers résultats: 34 6% de la surface occupée par les particules est sous forme d amas et de bâtonnets forte variabilité surtout quand peu de très gros cristaux 17
Conclusions Le procédé permet de réduire la concentration du surnageant de lisier traité acidifié de 99%. La majorité des particules formées est de taille suffisante pour être captée par le sac filtrant Le produit solide est un mélange de struvite et de calcium phosphate 18
Perspectives De nouvelles conditions vont être testées pour augmenter la proportion de struvite dans le produit Température Concentration initiale en ammonium L efficacité du phosphore du produit va être testée Un pilote industriel va être construit en 2012 et installé Sur une station de traitement de lisier (bio et/ou méthanisation) Sur une station de traitement d effluent d IAA (abattoir ou laiterie) L évaluation économique et environnementale s appuiera sur les données d exploitation du pilote industriel 19