Diverses solutions pour la récupération du phosphore à partir des boues d’épuration municipales

Le phosphore est un minéral constituant une ressource critique, dont les réserves naturelles diminuent rapidement. En conséquence, le gouvernement allemand a décrété qu’à partir de 2029, le phosphore devra être en grande partie récupéré à partir des boues d’épuration. La mise en œuvre des ultrasons de puissance ouvre diverses possibilités pour intensifier la récupération du phosphore à partir des boues d’épuration municipales.

Stations de traitement des boues d’épuration et recyclage du phosphore

Le phosphore est un élément critique, largement utilisé comme engrais et comme matière première dans l’industrie de la chimie fine et l’industrie pharmaceutique. En raison de la diminution rapide des ressources disponibles, le gouvernement allemand a mis en place une loi en vertu de laquelle toutes les stations municipales de traitement des eaux usées doivent prendre des mesures pour récupérer le phosphore à partir des boues d’épuration municipales. La mise en œuvre d’ultrasons haute performance offre diverses options de traitement qui augmentent considérablement l’efficacité de la récupération du phosphore.

Les stations d’épuration des eaux usées utilisent les ultrasons pour améliorer la digestion des boues et la récupération de nutriments tels que le phosphore.

Désintégration des boues d’épuration par ultrasons pour une meilleure récupération du phosphore

Il a été clairement démontré que l’irradiation des boues d’épuration par de puissantes ondes ultrasonores améliore la désintégration de la biomasse contenue dans les boues d’épuration. De nombreuses études de recherche ont montré les avantages du traitement par ultrasons des boues activées résiduaires, et divers systèmes à ultrasons industriels fonctionnent dans des stations municipales de traitement des eaux usées en Allemagne.
Le prétraitement par ultrasons des substrats contenus dans les boues d’épuration a plusieurs effets bénéfiques sur les processus de digestion anaérobie. Ces avantages comprennent la réduction de la taille des particules, l’augmentation de la vitesse d’hydrolyse et le raccourcissement du temps de rétention hydraulique.
Les forces de cisaillement cavitationnelles générées par des ondes ultrasonores de haute intensité / basse fréquence provoquent la rupture de la morphologie des flocs de boues et de la structure microbienne des boues.
L’équipe de recherche de Nguyen a démontré dans ses études « que l’application des ultrasons est très efficace pour réduire la taille des particules de biomasse, permettant d’atteindre une réduction à une taille moyenne de particules de >78,78 %, proportionnelle à la durée et à l’intensité de l’exposition à l’irradiation ultrasonore. Cela indique que les particules de boues se sont désintégrées et que la taille des particules de boues a diminué, sur la base d’une relation inverse entre la durée de sonication et la taille des particules de flocs. L’application s’est révélée très efficace, bien que les observations des flocs de boues avant traitement aient révélé que ces flocs étaient denses et très compacts, composés, entre autres, de nombreux sous-compartiments à noyaux compacts, d’amas cellulaires, de colonies bactériennes, de protozoaires et de bactéries filamenteuses. L’analyse de l’effluent montre que le procédé à ultrasons a considérablement désintégré l’intégrité structurelle des flocs de boues de toutes tailles. Dans des conditions de traitement optimales, les fragments de flocs ont été réduits jusqu’à ≤6,5 μm et se sont dissous dans la suspension de boues après 5–10 min de traitement par ultrasons à une basse fréquence ultrasonore de 20 kHz. » (Nguyen et al., 2015)
Des boues d’épuration efficacement désintégrées, c’est-à-dire des boues soniquées, présentent des propriétés de séparation nettement améliorées, permettant de séparer les fractions riches en phosphore de la biomasse et des fractions gélatineuses ainsi que de l’eau. La cavitation ultrasonore rompt les structures cellulaires de la biomasse contenue dans les boues d’épuration et facilite le fractionnement ultérieur en trois fractions : (i) des fibres riches en cellulose, (ii) un gel riche en nutriments et (iii) un liquide facilement fermentescible. Ces trois fractions des boues peuvent ensuite être traitées, p. ex. pour la récupération du phosphore, l’élimination des métaux lourds, etc.

Précipitation du phosphore par voie chimique humide intensifiée par ultrasons

L’ultrasonication est une technique bien connue, utilisée depuis longtemps en chimie pour la précipitation réussie et efficace de minéraux, de particules et de cristaux. Pour la récupération du phosphore à partir des boues d’épuration, la sonication est appliquée afin de favoriser et d’accélérer la précipitation de la struvite. La struvite (phosphate ammoniaco-magnésien) est un minéral phosphaté de formule NH₄MgPO₄·6H₂ O, qui offre une solution simple pour éliminer le phosphore sous forme liée des boues résiduaires.
Au cours du processus de cristallisation / précipitation de la struvite, les ions PO₄^3-, NH₄⁺, ainsi que Mg²⁺ sont éliminés de la phase liquide par la précipitation de la struvite, jusqu’à ce que la réaction atteigne l’équilibre.

Cristaux de struvite précipités à partir d’effluents porcins.
(image et étude : ©Kim et al. 2017)

Lorsque l’ultrasonication est appliquée comme prétraitement des boues avant le processus de précipitation de la struvite, la cavitation induite par ultrasons assure un mélange approfondi au niveau moléculaire, fournissant une surface active pour la croissance cristalline. Une augmentation de la vitesse de solubilisation des substances extracellulaires et intracellulaires favorise en outre la précipitation de la struvite en augmentant la biodisponibilité de NH₄⁺ et de PO₄^3- sous forme ionique. Le traitement par sonication entraîne un transfert de masse facilité à travers la suspension, provoqué par la cavitation ultrasonore.
La sonication peut également être appliquée à la liqueur de carbonisation hydrothermale, dans laquelle le phosphore est recyclé sous forme de struvite à partir de la liqueur de carbonisation hydrothermale par extraction et précipitation assistées par ultrasons.
En savoir plus sur la précipitation de struvite à grande échelle pour la récupération du phosphore à partir des boues d’épuration !

Sono-Fenton pour la libération du phosphore des boues d’épuration

L’étude de Gong et al. (2015) a démontré l’efficacité d’un prétraitement combiné ultrasons–Fenton (également appelé sono-Fenton) pour la désintégration des boues d’épuration. L’application du traitement ultrasons–Fenton a considérablement augmenté la libération de carbone, d’azote et de phosphore. Le traitement sono-Fenton a augmenté l’azote total (N) et le phosphore total (P) respectivement de 1,7 et 2,2 fois par rapport au traitement Fenton seul. Après le traitement sono-Fenton, les boues présentaient une taille de particules considérablement plus fine et une microstructure plus lâche, d’après la microscopie électronique à balayage. Par résonance de spin électronique, l’intensité maximale du signal OH• est passée de 568,7 avec le traitement Fenton à 1106,3 après le traitement sono-Fenton. Cela a démontré que le traitement sono-Fenton induit la désintégration des boues et améliore considérablement la libération du carbone organique, de l’azote et du phosphore.

Piles à combustible microbiennes intensifiées par ultrasons

Le prétraitement par ultrasons des boues d’épuration favorise la solubilisation de divers composés organiques de la matrice des boues, ce qui accélère ensuite l’électrohydrogenèse microbienne.
More et Ghangrekar (2010) attribuent les effets bénéfiques du prétraitement par sonication sur les piles à combustible microbiennes à des activités enzymatiques accrues et à la disponibilité de protéines, de polysaccharides et d’enzymes extracellulaires, qui sont libérés des couches internes des flocs de boues vers les couches externes par sonoporation ultrasonore et rupture cellulaire, ce qui se traduit par une meilleure efficacité d’utilisation du substrat. Pour améliorer la récupération d’électricité à partir des piles à combustible microbiennes, il est nécessaire d’améliorer la capacité de transfert d’électrons des bactéries vers une substance solide extracellulaire. Ce transfert d’électrons extracellulaire peut se produire soit par contact direct entre la surface cellulaire et la surface solide, soit indirectement par l’intermédiaire de médiateurs dits exogènes et endogènes. Pour un transfert direct d’électrons entre les bactéries et la surface de l’électrode, l’électron doit atteindre la membrane externe de la cellule. Ce phénomène pourrait s’être produit grâce au prétraitement par ultrasonication appliqué à l’inoculum lorsque l’énergie spécifique fournie était adéquate, favorisant ainsi une efficacité coulombique plus élevée.
Un procédé d’électrolyse microbienne intensifié par ultrasons pourrait être combiné à des procédés de fermentation ultérieurs pour le traitement des boues.

Traitement sono-électrochimique des boues d’épuration

L’électrocoagulation est un procédé simple, qui peut être facilement appliqué aux eaux usées et permet de traiter de grands volumes de manière efficace et économique. L’ultrasonication aide à surmonter le principal inconvénient des procédés d’électrocoagulation en empêchant la formation de couches de passivation sur les électrodes. Les films passifs qui se forment au fil du temps à la surface des électrodes réduisent drastiquement l’efficacité des systèmes d’électrocoagulation, et les ultrasons constituent une méthode simple pour éliminer ces couches de passivation en continu pendant le fonctionnement, tandis que la sonication augmente en même temps le rendement des systèmes d’électrocoagulation. Les ondes ultrasonores décomposent les sédiments formés à la surface des électrodes et génèrent de grandes quantités d’espèces radicalaires pour éliminer les polluants en créant des points de haute pression dans la solution lors du phénomène de cavitation. En combinant l’électrocoagulation avec les ultrasons, grâce à la création de nouvelles surfaces sur l’électrode par cavitation ou micro-courants, la diminution de l’épaisseur de la couche de distribution est accentuée par l’augmentation des vitesses de transfert de masse. La sono-électrocoagulation augmente la quantité de coagulant formée par rapport à l’électrocoagulation, et la floculation est renforcée par un mélange extrême et par l’oxydation due à la formation de radicaux libres ; il est donc possible d’atteindre l’efficacité souhaitée dans les plus brefs délais.
(Moradi et al., 2021)

Les avantages de la sonoélectrochimie et de la sonoélectrocoagulation

« La sonoélectrochimie est la combinaison de l’énergie ultrasonore dans un système électrochimique, qui offre plusieurs avantages, notamment l’élimination des bulles de gaz à la surface de l’électrode, le dégazage de la solution, la perturbation de la couche de diffusion de Nernst, l’amélioration du transport de masse des espèces électroactives à travers la double couche, ainsi que l’activation et le nettoyage de la surface de l’électrode. Ces avantages en électrochimie conduisent à une meilleure efficacité des procédés (rendements d’électrode et de courant), à des vitesses et des rendements électrochimiques accrus, à des tensions de cellule et des surtensions d’électrode réduites, à des matériaux électrodéposés améliorés en termes de dureté, de qualité, de porosité et d’épaisseur, ainsi qu’à la suppression de l’encrassement des électrodes et du dégazage à la surface de l’électrode. » (Foroughi et al., 2021)
En savoir plus sur l’équipement sono-électrochimique et ses applications !

Systèmes à ultrasons industriels pour le traitement des boues d’épuration

Les systèmes haute performance de Hielscher Ultrasonics sont des outils de travail fiables dans les stations de traitement des eaux usées et des boues d’épuration. Les systèmes à ultrasons Hielscher délivrent des ultrasons de haute puissance à 20kHz, qui créent une cavitation acoustique intense. Les effets de notre traitement par ultrasons de haute puissance comprennent la rupture et la désintégration cellulaires, un transfert de masse élevé, la désinfection, la décomposition des polymères, la libération d’enzymes et l’homogénéisation des boues. La sonication de haute intensité améliore l’efficacité du traitement grâce à la génération de radicaux oxydants et à l’augmentation des sites de nucléation, assurant une meilleure coagulation et floculation. La génération fiable et continue de ces forces de cavitation ultrasonore intenses et de leurs effets permet d’intégrer nos puissants processeurs à ultrasons dans diverses applications afin d’améliorer la récupération d’énergie et de nutriments à partir des boues d’épuration.

• Désintégration des boues d’épuration par ultrasons
• Digestion anaérobie intensifiée par ultrasons
• Récupération de nutriments précieux (phosphore, azote, magnésium, calcium, potassium, etc.)
• Élimination de contaminants tels que les métaux lourds

En proposant des processeurs à ultrasons avec des réacteurs à circulation de différentes tailles, Hielscher Ultrasonics dispose des systèmes à ultrasons idéaux pour le traitement des eaux usées et des boues de votre installation de boues d’épuration.
La conception modulaire permet l’installation simple de plusieurs unités à ultrasons en parallèle, ce qui rend possible un traitement fiable et efficace de tout volume.
Les systèmes à ultrasons Hielscher de haute puissance / haut débit augmentent l’efficacité et le rendement du traitement de la biomasse dans les boues d’épuration.
Tous nos appareils à ultrasons sont dotés du nettoyage en place (CIP).
Adaptés aux traitements exigeants : les boues d’épuration contiennent souvent des matières fibreuses à forte teneur en cellulose, difficiles à désintégrer. Les processeurs à ultrasons industriels de Hielscher Ultrasonics peuvent délivrer des amplitudes très élevées. Des amplitudes allant jusqu’à 200µm peuvent facilement être maintenues en continu en fonctionnement 24/7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes à ultrasons personnalisées sont disponibles. De telles amplitudes élevées constituent un moyen efficace de rompre la structure cellulaire des celluloses, de la lignine et les parois cellulaires robustes d’autres matériaux. La conception optimisée de nos réacteurs à cellule à circulation garantit des schémas d’écoulement idéaux ainsi qu’un traitement par ultrasons uniforme et efficace des boues alimentées.

Nous travaillons avec des intégrateurs de systèmes et des ingénieurs de stations de boues d’épuration

En tant que fabricant et constructeur de systèmes d’unités modulaires à ultrasons haute performance, Hielscher Ultrasonics travaille en collaboration avec des intégrateurs de systèmes. La plupart des exploitants de stations de traitement des eaux usées et des boues d’épuration travaillent avec des intégrateurs de systèmes, qui disposent d’une grande expérience dans la conception et l’automatisation de telles stations d’épuration. Notre équipe d’ingénieurs de conception et d’ingénieurs techniques recommande la configuration à ultrasons optimale pour le volume de boues visé, fournit des informations détaillées sur le système, des plans CAO ainsi qu’un service d’installation et une formation à l’exploitation. Cela permet une mise en œuvre constructive et ciblée de l’intégration des ultrasons haute performance dans les stations d’épuration. Veuillez nous contacter si vous souhaitez intégrer nos processeurs à ultrasons pour améliorer le traitement des boues !

Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos appareils à ultrasons :

Contactez-nous dès maintenant pour obtenir plus de détails sur les systèmes à ultrasons Hielscher pour le traitement des boues d’épuration, les options d’installation et les informations techniques !