Récupération de phosphore par ultrasons à partir de boues d'épuration
- La demande mondiale de phosphore augmente, tandis que les ressources naturelles en phosphore se raréfient.
- Les boues d'épuration et les cendres de boues d'épuration sont riches en phosphore et peuvent donc être utilisées comme source de récupération du phosphore.
- Le traitement chimique humide par ultrasons et la précipitation améliorent la récupération du phosphate dans les boues d'épuration ainsi que dans les cendres des boues incinérées et rendent la récupération nettement plus économique.
Phosphore
Le phosphore (phosphore, P) est une ressource non renouvelable, largement utilisée en agriculture comme engrais ainsi que dans de nombreuses industries, où le phosphore est un additif précieux (par exemple, peintures, détergents, retardateurs de flamme, aliments pour animaux). Les boues d'épuration, les cendres de boues d'épuration incinérées (CBAI), le fumier et les effluents laitiers sont riches en phosphore, ce qui en fait une source de récupération du phosphore compte tenu des ressources limitées en phosphore et des préoccupations environnementales.
Les taux de récupération du phosphore à partir des flux d'eaux usées liquides peuvent atteindre 40 à 50 %, tandis que les taux de récupération à partir des boues d'épuration et des cendres de boues d'épuration peuvent atteindre 90 %. Le phosphore peut être précipité sous de nombreuses formes, l'une d'entre elles étant la struvite (considérée comme un engrais de haute qualité à libération lente). Pour que la récupération du phosphore soit économique, le processus de récupération doit être amélioré. L'ultrasonication est une méthode d'intensification du processus qui accélère le processus et augmente le rendement des minéraux récupérés.
Récupération du phosphore par ultrasons
Sous sonication, des matériaux précieux tels que la struvite (phosphate de magnésium et d'ammonium (MAP)), le phosphate de calcium, l'hydroxyapatite (HAP) / l'hydroxyapatite de calcium, le phosphate octacalcique, le phosphate tricalcique et le phosphate dicalcique dihydraté peuvent être récupérés à partir des flux de déchets. Le traitement par ultrasons améliore l'extraction chimique par voie humide ainsi que la précipitation et la cristallisation (sono-cristallisation) des matériaux précieux contenus dans les boues d'épuration et dans les cendres des boues incinérées.
Si la teneur en phosphore (8-10%), en fer (10-15%) et en aluminium (5-10%) des cendres de boues d'épuration mono-incinérées est assez élevée, elle contient également des métaux lourds toxiques tels que le plomb, le cadmium, le cuivre et le zinc.
Récupération de Phopshorus – Un processus en deux étapes
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- Extraction acide
La première étape de la récupération du phosphore est l'extraction ou la lixiviation du phosphore des boues d'épuration ou des cendres de boues d'épuration incinérées (ISSA) à l'aide d'un acide tel que l'acide sulfurique ou l'acide chlorhydrique. Le mélange ultrasonique favorise la lixiviation chimique par voie humide en augmentant le transfert de masse entre l'acide et l'ISSA, ce qui permet d'obtenir rapidement une lixiviation complète du phosphore. Une étape de prétraitement à l'aide de l'acide éthylènediaminetétraacétique (EDTA) peut être utilisée pour améliorer la procédure d'extraction.
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- Précipitation du phosphore
La cristallisation ultrasonique améliore considérablement la précipitation des phosphates en augmentant les points d'ensemencement et en accélérant l'adsorption et l'agrégation des molécules afin de former un cristal. La précipitation ultrasonique du phosphore des boues d'épuration et de l'ISSA peut être obtenue, par exemple, en utilisant de l'hydroxyde de magnésium et de l'hydroxyde d'ammonium. Le précipité qui en résulte est la struvite, un composé composé de magnésium, d'ammonium, de phosphore et d'oxygène.
Sonocristallisation de la struvite
La dispersion ultrasonique favorise le transfert de masse entre les phases et initie la nucléation et la croissance des cristaux de phosphates (par exemple, struvite / MAP).
La précipitation et la cristallisation en ligne de la struvite par ultrasons permettent de traiter de grands volumes de boues à l'échelle industrielle. Le problème du traitement d'un flux important de boues d'épuration peut être résolu par un processus ultrasonique continu, qui accélère la cristallisation de la struvite et améliore la taille des cristaux en produisant des particules de phosphate plus petites et plus uniformes. La distribution de la taille des particules précipitées est déterminée par le taux de nucléation et le taux de croissance des cristaux qui s'ensuit. L'accélération de la nucléation et l'inhibition de la croissance sont les facteurs clés de la précipitation des particules de phosphate cristallines, c'est-à-dire de la struvite, dans une solution aqueuse. L'ultrasonication est une méthode d'intensification du processus qui améliore le mélange afin d'obtenir une distribution homogène des ions réactifs.
La précipitation ultrasonique est connue pour donner une distribution plus étroite de la taille des particules, une taille de cristal plus petite, une morphologie contrôlable ainsi qu'un taux de nucléation rapide.
Cristaux de struvite précipités à partir d'effluents porcins (source : Kim et al. 2017)
De bons résultats en matière de précipitation peuvent être obtenus, par exemple, avec le PO3-4 : NH+4 : Mg2+ La gamme de pH de 8 à 10 conduit à une libération maximale de phosphate P
L'ultrasonication est une technique d'intensification de processus très efficace pour promouvoir la précipitation de matériaux précieux tels que le phosphate de calcium, le phosphate de magnésium et d'ammonium (PMA) et l'hydroxyapatite (HAP), l'hydroxyapatite de calcium, le phosphate octacalcique, le phosphate tricalcique et le phosphate dicalcique dihydraté à partir d'eaux usées. Les boues d'épuration, le fumier et les effluents laitiers sont connus pour être des eaux usées riches en nutriments, qui conviennent à la production de matériaux précieux par précipitation assistée par ultrasons.
Formation de cristaux de struvite :
Mg2+ + NH+4 + HPO2-4 + H2O –> MgNH4PO4 ∙ 6H2O + H+
Processeurs ultrasoniques de grande puissance, du laboratoire à l'échelle pilote et industrielle.
Équipement industriel à ultrasons pour la lixiviation et la précipitation
Le traitement des cendres de boues d'épuration incinérées (CBAI) et des boues d'épuration à l'échelle industrielle nécessite des systèmes et des réacteurs à ultrasons très performants. Hielscher Ultrasonics est spécialisé dans la conception et la fabrication d'équipements ultrasoniques de haute puissance. – du laboratoire et de la paillasse aux unités entièrement industrielles. Les ultrasons Hielscher sont robustes et conçus pour fonctionner 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7 à pleine charge dans des environnements exigeants. Des accessoires tels que des réacteurs à cellules d'écoulement de différentes géométries, des sonotrodes (sondes à ultrasons) et des cornets de surpression permettent d'adapter de manière optimale le système à ultrasons aux exigences du processus. Afin de traiter des flux de grand volume, Hielscher propose des unités ultrasoniques de 4kW, 10kW et 16kW, qui peuvent être facilement combinées en parallèle à des grappes d'ultrasons.
Les ultrasons sophistiqués de Hielscher sont dotés d'un écran tactile numérique pour une utilisation facile et un contrôle précis des paramètres du processus.
La convivialité et un fonctionnement facile et sûr sont les principales caractéristiques des ultrasons Hielscher. La commande à distance par navigateur permet d'utiliser et de contrôler le système ultrasonique via un PC, un téléphone intelligent ou une tablette.
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasons :
| Volume du lot | Débit | Dispositifs recommandés |
|---|---|---|
| 10 à 2000mL | 20 à 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 à 20L | 0.2 à 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 à 100L | 2 à 10L/min | UIP4000hdT |
| n.d. | 10 à 100L/min | UIP16000 |
| n.d. | plus grande | groupe de UIP16000 |
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Littérature/Références
- Dodds, John A. ; Espitalier, Fabienne ; Louisnard, Olivier ; Grossier, Romain ; David, Rene ; Hassoun, Myriam ; Baillon, Fabien ; Gatumel, Cendrine ; Lyczko, Nathalie (2007) : L'effet des ultrasons sur les processus de cristallisation-précipitation : Some examples and a new segregation model. Particle and Particle Systems Characterization, Wiley-VCH Verlag, 2007, 24 (1), pp.18-28.
- Kharbanda, A. ; Prasanna, K. (2016) : Extraction des nutriments des eaux usées laitières sous forme de MAP (Magnesium Ammonium Phosphate) et de HAP (Hydroxyapatite). Rasayan Journal of Chemistry Vol. 9, No. 2 ; 2016. 215-221.
- Kim, D. ; Jin Min, K. ; Lee, K. ; Yu, M.S: ; Park, K.Y. (2017) : Effets du pH, des rapports molaires et du prétraitement sur la récupération du phosphore par cristallisation de la struvite dans les effluents d'eaux usées porcines digérées en anaérobiose. Environmental Engineering Research 22(1), 2017. 12-18.
- Rahman, M., Salleh, M., Ahsan, A., Hossain, M., Ra, C. (2014) : Production d'engrais cristallin à libération lente à partir d'eaux usées par cristallisation de struvite. Arab. J. Chem. 7, 139-155.
Qu'il faut savoir
Comment fonctionne la précipitation par ultrasons ?
Les ultrasons ont un impact sur la nucléation et la croissance des cristaux, un processus connu sous le nom de sonocristallisation.
Tout d'abord, l'application d'ultrasons permet d'influencer le taux de nucléation, c'est-à-dire la formation de cristaux solides à partir d'une solution liquide. Les ultrasons de forte puissance créent une cavitation, c'est-à-dire la croissance et l'implosion de bulles de vide dans un milieu liquide. L'implosion des bulles de vide introduit de l'énergie dans le système et réduit l'excès d'énergie libre critique. Ainsi, les points d'ensemencement et la nucléation sont initiés à un taux élevé et au moment le plus précoce. À l'interface entre la bulle de cavitation et la solution, la moitié d'une molécule de soluté est solvatée par le solvant, tandis que l'autre moitié de la surface de la molécule est couverte par la bulle de cavitation, de sorte que le taux de solvatation est réduit. La redissolution de la molécule de soluté est empêchée, tandis que la coagulation des molécules dans la solution est augmentée.
Deuxièmement, la sonication favorise la croissance des cristaux. Le mélange ultrasonique favorise la croissance des cristaux en augmentant le transfert de masse et l'agrégation des molécules.
Les résultats obtenus par sonication peuvent être contrôlés par le mode de sonication :
Sonication continue :
Le traitement ultrasonique continu de la solution produit de nombreux sites de nucléation, de sorte qu'un grand nombre de petits cristaux sont créés.
Sonication pulsée :
L'application d'une sonication pulsée / cyclique permet un contrôle précis de la taille des cristaux.
Sonication pour initier la nucléation :
Lorsque les ultrasons ne sont appliqués qu'au début du processus de cristallisation, un nombre fini de noyaux se forment, qui atteignent ensuite une taille plus importante.
L'utilisation d'ultrasons pendant la cristallisation permet d'influencer et de contrôler le taux de croissance, la taille et la forme des structures cristallines. Les différentes options de sonication rendent les processus de sono-cristallisation précisément contrôlables et reproductibles.
cavitation ultrasonique
Lorsque des ultrasons de haute intensité traversent un milieu liquide, des ondes de haute pression (compression) et de basse pression (raréfaction) alternent dans le liquide. Lorsque la pression négative provoquée par une onde ultrasonore traversant un liquide est suffisamment importante, la distance entre les molécules du liquide dépasse la distance moléculaire minimale requise pour maintenir le liquide intact, et le liquide se décompose alors de manière à créer des bulles de vide ou des vides. Ces bulles de vide sont également connues sous le nom de cavitation bulles.
Les bulles de cavitation sont utilisées pour les applications ultrasoniques de puissance telles que le mélange, Dispersion, fraisage, Extraction etc. se produisent à des intensités d'ultrasons supérieures à 10 Wcm2. Les bulles de cavitation grossissent au cours de plusieurs cycles acoustiques de basse pression / haute pression jusqu'à ce qu'elles atteignent une dimension telle qu'elles ne peuvent plus absorber d'énergie. Lorsqu'une bulle de cavitation a atteint sa taille maximale, elle implose violemment au cours d'un cycle de compression. L'effondrement violent d'une bulle de cavitation transitoire crée des conditions extrêmes telles que des températures et des pressions très élevées, des différentiels de pression et de température très importants et des jets de liquide. Ces forces sont à l'origine des effets chimiques et mécaniques utilisés dans les applications ultrasoniques. Chaque bulle qui s'effondre peut être considérée comme un microréacteur dans lequel des températures de plusieurs milliers de degrés et des pressions supérieures à mille atmosphères sont créées instantanément [Suslick et al 1986].
L'extraction par ultrasons est basée sur la cavitation acoustique et ses forces de cisaillement hydrodynamiques.
Phosphore
Le phosphore est une ressource essentielle, non régénérable, et les experts prévoient déjà que le monde atteindra un niveau de pollution de l'ordre de 1,5 milliard d'euros. “pic de phosphore”c'est-à-dire le moment où l'offre ne pourra plus répondre à l'augmentation de la demande, dans environ 20 ans. La Commission européenne a déjà classé le phosphore comme matière première critique.
Les boues d'épuration sont souvent utilisées comme engrais dans les champs. Cependant, comme les boues d'épuration contiennent non seulement du phosphate précieux, mais aussi des métaux lourds et des polluants organiques nocifs, de nombreux pays, comme l'Allemagne, limitent par la loi la quantité de boues d'épuration pouvant être utilisée comme engrais. De nombreux pays, comme l'Allemagne, ont des réglementations strictes en matière d'engrais, qui limitent rigoureusement la contamination par les métaux lourds. Le phosphore étant une ressource limitée, le règlement allemand sur les boues d'épuration de 2017 impose aux exploitants de stations d'épuration de recycler les phosphates.
Le phosphore peut être récupéré à partir des eaux usées, des boues d'épuration et des cendres de boues d'épuration incinérées.
phosphate
Un phosphate, produit chimique inorganique, est un sel de l'acide phosphorique. Les phosphates inorganiques sont extraits pour obtenir du phosphore utilisé dans l'agriculture et l'industrie. En chimie organique, un phosphate, ou organophosphate, est un ester de l'acide phosphorique.
Il ne faut pas confondre le nom phosphore avec l'élément phosphore (symbole chimique P). Il s'agit de deux choses différentes. Non-métal multivalent du groupe de l'azote, le phosphore est couramment présent dans les roches phosphatées inorganiques.
Les phosphates organiques sont importants en biochimie et en biogéochimie.
Le phosphate est le nom de l'ion PO43-. L'acide phosphoreux, quant à lui, est le nom de l'acide triprotique H3PO3. Il s'agit d'une combinaison de 3 H+ et un phosphite (PO33-).
Le phosphore est un élément chimique de symbole P et de numéro atomique 15. Les composés du phosphore sont également largement utilisés dans les explosifs, les agents neurotoxiques, les allumettes à friction, les feux d'artifice, les pesticides, le dentifrice et les détergents.
Struvite
La struvite, également appelée phosphate de magnésium et d'ammonium (PMA), est un minéral phosphaté dont la formule chimique est NH4MgPO4-6H2O. La struvite cristallise dans le système orthorhombique sous forme de cristaux pyramidaux blancs à jaunâtres ou blancs brunâtres ou sous forme de plaquettes. En tant que minéral mou, la struvite a une dureté de Mohs de 1,5 à 2 et une faible densité de 1,7. Dans des conditions neutres et alcalines, la struvite est difficilement soluble, mais peut être facilement dissoute dans l'acide. Les cristaux de struvite se forment lorsqu'il y a un rapport molaire (1:1:1) entre le magnésium, l'ammoniac et le phosphate dans les eaux usées. Ces trois éléments – magnésium, ammoniaque et phosphate – sont normalement présents dans les eaux usées : le magnésium provient principalement du sol, de l'eau de mer et de l'eau potable, l'ammoniac est décomposé à partir de l'urée contenue dans les eaux usées, et le phosphate provient des aliments, des savons et des détergents présents dans les eaux usées. En présence de ces trois éléments, la struvite est plus susceptible de se former lorsque le pH est plus élevé, la conductivité plus forte, les températures plus basses et les concentrations de magnésium, d'ammoniac et de phosphate plus élevées. La récupération du phosphore des eaux usées sous forme de struvite et le recyclage de ces nutriments en tant qu'engrais pour l'agriculture sont prometteurs.
La struvite est un engrais minéral à libération lente utilisé en agriculture, qui présente l'avantage d'être granulaire, facile à utiliser et inodore.