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

Le phosphore est une ressource minérale essentielle dont les réserves naturelles diminuent rapidement. C'est pourquoi le gouvernement allemand a promulgué un décret stipulant qu'à partir de 2029, le phosphore devra être largement récupéré à partir des boues d'épuration. La mise en œuvre des ultrasons électriques ouvre diverses options pour intensifier la récupération du phosphore à partir des boues d'épuration municipales.

Stations d'épuration 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 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 stations d'épuration utilisent les ultrasons pour améliorer la digestion des boues et récupérer 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 études 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 ultrasonique 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 la réduction 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 boue et de la structure microbienne des boues.
The research team of Nguyen demonstrated in their studies “that the application of ultrasound is very effective in reducing the particle size of biomass, achieving a reduction to an average particle size of >78.78% proportional to the length of time and intensity of ultrasonic irradiation exposure. This indicated that the sludge particles disintegrated and sludge particle size decreased, based on an inverse relationship between the sonication time and floc particle size. The application was highly effective, despite the fact that sludge floc observations before treatment revealed that the sludge flocs were dense and highly compact, composed of many sub-compartments with compact cores, cell clusters, bacterial colonies, protozoa, and filamentous bacteria, among other factors. Analysis of the effluent shows that the ultrasonic process significantly disintegrated the structural integrity of sludge flocs of all sizes. Floc pieces were reduced to as little as ≤6.5 μm under optimal treatment conditions, and were dissolved in the sludge slurry after 5–10 min of ultrasonic treatment with a low ultrasound frequency of 20 kHz.” (Nguyen et al., 2015)
Une boue d'épuration désintégrée efficacement, c'est-à-dire une boue sonifiée, 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 : (i) fibres riches en cellulose, (ii) gel riche en nutriments et (iii) liquide facilement fermentescible. Ces trois fractions de la boue peuvent être traitées ultérieurement, par exemple pour la récupération du phosphore, l'élimination des métaux lourds, etc.

Précipitation chimique humide intensifiée par ultrasons du phosphoren

L'ultrasonication est une technique bien connue utilisée depuis longtemps en chimie pour la précipitation efficace de minéraux, de particules et de 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 dont la formule est 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 retirés 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.
(image 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 approfondi au niveau moléculaire, offrant 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 facilite le transfert de masse à travers la boue, grâce à 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.
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 ultrason-Fenton a augmenté de manière significative 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. En utilisant la résonance de spin électronique, l'intensité du signal OH- le plus élevé a augmenté de 568,7 par 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 ultrasonique 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 dislocation des cellules, ce qui améliore l'efficacité de l'utilisation du substrat. Pour améliorer la collecte 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 de la cellule et la surface solide, soit indirectement par l'intermédiaire de médiateurs exogènes et endogènes. Pour qu'il y ait transfert direct d'électrons entre les bactéries et la surface de l'électrode, les électrons doivent atteindre la membrane externe de la cellule. Ce phénomène a pu se produire en raison du prétraitement par ultrasons administré à l'inoculum lorsque l'énergie spécifique fournie était adéquate, ce qui a favorisé une efficacité coulombienne plus élevée.
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 qui permet de traiter de grands volumes de manière efficace et rentable. Les ultrasons permettent de surmonter le principal inconvénient des processus d'électrocoagulation en empêchant la formation de couches passivantes 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 simple pour éliminer ces couches passivantes en continu pendant le fonctionnement, tout en augmentant la durée de vie des systèmes d'électrocoagulation. Les ondes ultrasoniques décomposent les sédiments formés à la surface de l'électrode et génèrent de grandes quantités d'espèces radicales 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 et les ultrasons, du fait 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 un 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 perturbation de la couche de diffusion de Nernst, l'amélioration du transport de masse des espèces électroactives à travers la double couche, et l'activation et le nettoyage de la surface de l'électrode. Ces avantages en électrochimie permettent d'améliorer l'efficacité des processus (efficacité des électrodes et du courant), d'augmenter les taux et les rendements électrochimiques, de réduire les tensions cellulaires et les surtensions des électrodes, d'améliorer les matériaux électrodéposés en termes de dureté, de qualité, de porosité et d'épaisseur, et de supprimer l'encrassement et le 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 de Hielscher Ultrasonics sont un outil de travail fiable dans les stations d'épuration des eaux usées et des boues d'épuration. Les systèmes ultrasoniques Hielscher délivrent des ultrasons de haute puissance à 20 kHz, qui créent une cavitation acoustique intense. Les effets de notre traitement ultrasonique de haute puissance comprennent la rupture 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 de leurs effets permet d'intégrer nos puissants processeurs ultrasoniques dans diverses applications afin d'améliorer la récolte d'énergie et de nutriments des boues d'épuration.

• Désintégration ultrasonique des boues d'épuration
• Digestion anaérobie intensifiée par ultrasons
• Récupération de nutriments 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 ultrasoniques en parallèle, ce qui permet un traitement fiable et efficace de n'importe quel volume.
Les systèmes ultrasoniques Hielscher à haute puissance / haut débit augmentent l'efficacité et le rendement du traitement de la biomasse dans les boues d'épuration.
Tous nos ultrasons sont équipés d'un système de nettoyage en place (CIP).
Convient aux traitements exigeants : Les boues d'épuration contiennent souvent des matériaux fibreux à forte teneur en cellulose, difficiles à désintégrer. Hielscher Ultrasons’ Les processeurs industriels à ultrasons peuvent fournir des amplitudes très élevées. Des amplitudes allant jusqu'à 200µm peuvent être facilement exploitées 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, des lignines 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 des boues alimentées.

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 en collaboration avec des intégrateurs de systèmes. La plupart des exploitants de stations d'épuration 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 orientée vers les objectifs de l'intégration des ultrasons à haute performance dans les stations d'épuration. N'hésitez pas à 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 ultrasons :

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