Le phosphore est une ressource minérale essentielle, dont les réserves naturelles diminuent rapidement. Par conséquent, le gouvernement allemand a décrété qu'à partir de 2029, le phosphore devra être largement récupéré à partir des boues d'épuration. La mise en œuvre des ultrasons ouvre diverses options 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 essentiel, largement utilisé comme engrais et matière première dans l'industrie chimique fine et pharmaceutique. En raison de la diminution rapide des ressources disponibles, le gouvernement allemand a mis en œuvre une loi selon laquelle toutes les stations d'épuration municipales doivent mettre en place des mesures pour récupérer le phosphore des boues d'épuration municipales. La mise en œuvre d'ultrasons à haute performance offre diverses options de traitement, qui augmentent considérablement l'efficacité de la récupération du phosphore.

Les usines de traitement des eaux usées utilisent les ultrasons pour améliorer la digestion des boues et la récupération des nutriments tels que le phosphore.

Désintégration ultrasonique des boues d'épuration 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 recherches ont montré les avantages du traitement des boues activées par ultrasons et plusieurs systèmes industriels à ultrasons fonctionnent dans des stations d'épuration municipales en Allemagne.
Le prétraitement par ultrasons des substrats dans les boues d'épuration a plusieurs effets bénéfiques pour les processus de digestion anaérobie. Ces avantages comprennent la réduction de la taille des particules, l'augmentation du taux d'hydrolyse et le raccourcissement du temps de rétention hydraulique.
Les forces de cisaillement cavitationnelles générées par les ondes ultrasonores de haute intensité / basse fréquence provoquent la rupture de la morphologie des flocons de boue et de la structure microbienne des boues.
L'équipe de recherche de Nguyen a démontré dans ses études "que l'application d'ultrasons est très efficace pour réduire la taille des particules de la biomasse, atteignant 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 ultrasonique. Cela indique que les particules de boue se sont désintégrées et que la taille des particules de boue a diminué, sur la base d'une relation inverse entre le temps de sonication et la taille des particules du floc. L'application a été très efficace, malgré le fait que les observations des flocs de boue avant le traitement ont révélé que les flocs de boue étaient denses et très compacts, composés de nombreux sous-compartiments avec des noyaux compacts, des amas de cellules, des colonies bactériennes, des protozoaires et des bactéries filamenteuses, entre autres facteurs. L'analyse de l'effluent montre que le procédé ultrasonique a considérablement désintégré l'intégrité structurelle des flocs de boue de toutes tailles. Les morceaux de flocs ont été réduits à une taille aussi faible que ≤6,5 μm dans des conditions de traitement optimales, et ont été dissous dans la boue de boue après 5-10 min de traitement par ultrasons avec une faible fréquence ultrasonore de 20 kHz. " (Nguyen et al., 2015)
Une boue d'épuration efficacement désintégrée, c'est-à-dire une boue soniquée, présente des propriétés de séparation nettement améliorées permettant d'éliminer les fractions riches en phosphore de la biomasse et les fractions gélatineuses ainsi que l'eau. La cavitation ultrasonique perturbe les structures cellulaires de la biomasse dans les boues d'épuration et facilite le fractionnement ultérieur en trois fractions de (i) fibres riches en cellulose, (ii) un gel riche en nutriments et (iii) un liquide facilement fermentable. Ces trois fractions de la boue peuvent être traitées ultérieurement, par exemple pour récupérer le phosphore, éliminer les métaux lourds, etc.

Précipitation chimique humide intensifiée par ultrasons du phosphoren

La sonication est une technique bien connue et utilisée depuis longtemps en chimie pour la précipitation sereine et efficace de minéraux, particules et cristaux. Pour la récupération du phosphore des boues d'épuration, la sonication est appliquée afin de promouvoir et d'accélérer la précipitation de la struvite. La struvite (phosphate de magnésium et d'ammonium) 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⁺et Mg²⁺ sont éliminés de la phase liquide en raison de la précipitation de la struvite, jusqu'à ce que la réaction atteigne l'équilibre.

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

Lorsque les ultrasons sont appliqués comme prétraitement des boues avant le processus de précipitation de la struvite, la cavitation induite par les ultrasons permet un mélange complet au niveau moléculaire, fournissant une surface active pour la croissance des cristaux. L'augmentation du taux de solubilisation des substances extracellulaires et intracellulaires favorise la précipitation de la struvite en augmentant la biodisponibilité du NH₄⁺ et PO₄^3- ions. Le traitement par sonication a pour effet de faciliter le transfert de masse à travers la suspension, qui est provoqué par la cavitation ultrasonique.
La sonication peut également être appliquée à la liqueur de carbonisation hydrothermale, où le phosphore est recyclé sous forme de struvite à partir de la liqueur de carbonisation hydrothermale par extraction et précipitation assistées par ultrasons.
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Sono-Fenton pour le dégagement 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 du carbone, de l'azote et du phosphore. Le traitement sono-Fenton a multiplié l'azote (N) et le phosphore (P) totaux par 1,7 et 2,2, respectivement, par rapport au traitement Fenton seul. Après le traitement sono-Fenton, les boues ont présenté une taille de particule considérablement plus fine et une microstructure plus lâche d'après la microscopie électronique à balayage. En utilisant la résonance de spin électronique, l'intensité du signal OH- le plus élevé est passée de 568,7 après le traitement Fenton à 1106,3 après le traitement sono-Fenton. Cela démontre que le traitement sono-Fenton induit la désintégration des boues et améliore la libération du carbone organique, de l'azote et du phosphore de manière significative.

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'électrohydrogénèse microbienne.
More et Ghangrekar (2010) attribuent les effets bénéfiques du prétraitement par sonication sur les piles à combustible microbiennes à l'amélioration des activités enzymatiques et à la disponibilité des protéines extracellulaires, des polysaccharides et des enzymes, qui sont libérés des couches internes des flocs de boue vers les couches externes par la sonoporation ultrasonique et la perturbation des cellules, ce qui améliore l'efficacité de l'utilisation du substrat. Pour améliorer la récolte d'électricité à partir des piles à combustible microbiennes, il faut 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 de la cellule et la surface solide, soit indirectement par l'intermédiaire de médiateurs 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 a pu se produire en raison du prétraitement par ultrasons de l'inoculum lorsque l'énergie spécifique fournie était adéquate, favorisant ainsi une plus grande efficacité coulombienne.
Un processus d'électrolyse microbienne intensifié par ultrasons pourrait être combiné à des processus 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 rentable. L'ultrasonication permet de surmonter le principal inconvénient des procédés d'électrocoagulation en empêchant la formation de couches passives sur les électrodes. Les films passifs qui se forment à la surface des électrodes au fil du temps réduisent considérablement l'efficacité des systèmes d'électrocoagulation. Les ultrasons constituent une méthode facile pour éliminer ces couches passives en continu pendant le fonctionnement, tout en augmentant le taux de renouvellement des systèmes d'électrocoagulation. Les ondes ultrasoniques décomposent les sédiments formés à la surface de l'électrode et génèrent de grandes quantités d'espèces radicalaires pour éliminer les polluants en créant des points de haute pression à l'intérieur de la solution pendant le phénomène de cavitation. En combinant l'électrocoagulation avec les ultrasons, en raison de la création de nouvelles surfaces sur l'électrode par cavitation ou micro-streaming, la diminution de l'épaisseur de la couche de distribution est exacerbée par l'augmentation des taux de transfert de masse. La sono-électrocoagulation augmente la quantité de coagulant formé par rapport à l'électrocoagulation, et la floculation est renforcée par le mélange extrême et l'oxydation par la formation de radicaux libres ; il est donc possible d'atteindre l'efficacité souhaitée dans le temps le plus court.
(Moradi et al., 2021)

Les avantages de la sonoélectrochimie et de la sonoélectrocoagulation

"La sonoélectrochimie est la combinaison de l'énergie ultrasonique 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 rupture 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 amélioration de l'efficacité des procédés (efficacité des électrodes et du courant), à une augmentation des taux et des rendements électrochimiques, à une diminution des tensions des cellules et des surtensions des électrodes, à une amélioration des matériaux électrodéposés en termes de dureté, de qualité, de porosité et d'épaisseur, et à la suppression de l'encrassement et du dégazage à la surface des électrodes." (Foroughi et al., 2021)
En savoir plus sur les équipements sono-électrochimiques et leurs applications !

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

Les systèmes haute performance Hielscher Ultrasons sont un cheval de bataille fiable 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 à haute puissance comprennent la perturbation et la désintégration des cellules, un transfert de masse élevé, la désinfection, la décomposition des polymères, la libération d'enzymes et l'homogénéisation des boues. La sonication à haute intensité améliore l'efficacité du traitement par la génération de radicaux oxydants et par l'augmentation des sites de nucléation, assurant une meilleure coagulation et floculation. La génération fiable et continue de ces forces de cavitation ultrasoniques intenses et ses effets permettent d'intégrer nos puissants processeurs ultrasoniques à diverses applications afin d'améliorer la récolte d'énergie et de nutriments à partir des boues d'épuration.

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

Hielscher Ultrasonics propose des processeurs à ultrasons avec des réacteurs à flux continu de différentes tailles. Hielscher Ultrasonics dispose des systèmes de traitement des déchets et des boues par ultrasons idéaux pour votre installation de traitement des 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 à haute puissance et à haut débit augmentent l'efficacité et le rendement du traitement de la biomasse dans les boues d'épuration.
Tous nos ultrasons permettent le nettoyage en place (NEP).
Convient aux traitements exigeants : Les boues d'épuration contiennent souvent des matériaux fibreux à forte teneur en cellulose, qui sont difficiles à désintégrer. Hielscher Ultrasons’ Les processeurs ultrasoniques industriels peuvent fournir des amplitudes très élevées. Des amplitudes allant jusqu'à 200µm peuvent facilement fonctionner en continu, 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes ultrasoniques personnalisées sont disponibles. Des amplitudes aussi élevées sont un moyen efficace de perturber la structure cellulaire des celluloses, de la lignine et des parois cellulaires robustes d'autres matériaux. La conception optimisée de nos réacteurs à cellules d'écoulement garantit des schémas d'écoulement idéaux et un traitement ultrasonique uniforme et efficace de la boue alimentée.

Nous travaillons avec des intégrateurs de systèmes et des ingénieurs de stations de traitement des boues d'épuration.

En tant que fabricant et constructeur de systèmes d'unités modulaires à ultrasons de haute performance, Hielscher Ultrasonics travaille 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 ont une grande expérience de la conception et de l'automatisation de ces stations d'épuration. Notre équipe d'ingénieurs concepteurs et d'ingénieurs techniques recommande la configuration ultrasonique optimale pour le volume de boue visé, fournit des informations détaillées sur le système, des dessins CAO ainsi qu'un service d'installation et une formation opérationnelle. Cela permet une mise en œuvre constructive et axée sur les objectifs de l'intégration des ultrasons haute performance dans les stations d'épuration. Veuillez nous contacter si vous êtes intéressé par l'intégration de nos processeurs à ultrasons pour un meilleur traitement des boues !

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

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