Élimination du phosphore des eaux usées par flottation à air dissous

• 1. introduction
• 2. Phosphore dans les eaux usées
• 3. les systèmes de traitement des effluents phosphorés
• 4. Traitement des effluents phosphorés par flottation DAF
• 5. Résumé

1. introduction

Le phosphore est un élément essentiel à la vie, tant pour les organismes inférieurs que pour ceux qui ont des structures plus complexes. Son rôle en biologie est fondamental, car il est impliqué dans la formation de multiples constituants des cellules, tels que :

• La membrane cytoplasmique, ainsi que l'ADN.
• Enzymes appelées transférases : ADP (adénoxine diphosphate) et ATP (adénoxine triphosphate), qui ont la propriété de stocker ou de restituer l'énergie d'une forme à une autre.
• Les enzymes polyphosphate kinase, qui peuvent stocker ou restaurer les polyphosphates.

L'absence de phosphore limite la croissance des algues planctoniques, en particulier de certains types d'algues, comme les algues "bleues", qui sont capables de fixer l'azote atmosphérique.

Le phosphore est un nutriment essentiel pour les micro-organismes qui dégradent les matières organiques dans les eaux usées. Cependant, le phosphore peut également provoquer l'eutrophisation, c'est-à-dire la détérioration de la qualité des eaux de surface en raison d'un excès d'algues. Le phosphore se trouve dans les eaux usées sous forme de phosphates, des composés très réactifs.

En outre, la pollution par le phosphore a des implications économiques importantes, car elle affecte le développement normal de différentes activités professionnelles et augmente les coûts de traitement de l'eau pour la purification de l'eau potable.

Il est donc crucial que des actions soient mises en place pour réduire la présence de phosphore dans nos eaux usées.

Principaux composés du phosphore

Composés P	Formule	Préparation de l'échantillon	Cuvettes de test	Instrument de traitement	Identification des résultats + Champ d'application
Orthophosphate	PO43-	Filtre	LCK049* LCK349* LCK348* LCK350* LCK349* LCK348* LCK350* LCK349*	PHOSPHAX se (méthode vanadate-molyb-date)	- Ortho PO4-P(par exemple, eaux usées : contrôle des précipitations de P) - OrthoPO4 (par exemple, eau potable et eau de chaudière)
Polyphosphates	PO4-PO4-PO4-	Homogénéisation, digestion
Composés organiques du phosphore	R-PO4	Homogénéisation, digestion
Charge totale (orthophosphate+polyphosphates+composés organiques du phosphore)	PO4 total	Homogénéisation, digestion	LCK349* LCK348* LCK350* LCK349* LCK348* LCK350*	PHOSPHAX sigma (méthode au bleu de molybdène selon EN 1189)	P total = PO4-P total (par exemple, eaux usées : contrôle de la valeur limite)PO4 total (par exemple, eau potable et eau de chaudière)

Important : dans l'analyse des eaux usées, la concentration en _PO4 est toujours exprimée en fonction de la teneur en phosphore du phosphate ! Le résultat est donc exprimé en _PO4-P(facteur de conversion : _PO4-P x 3,07- _PO4).
Les valeurs limites définies dans la législation applicable, par exemple la valeur limite à la sortie d'un E.D.A.R., sont exprimées dans l'unité P total = _PO4-P total. *) LCK348, 349 et 350 : méthode au bleu de molybdène selon EN 1189 ; LCK049 : méthode au vanadate-molybdate.

2. Phosphore dans les eaux usées

La pollution des eaux usées par lephosphore est un problème grave. Le phosphore est un élément chimique nécessaire à la vie, mais en excès, il peut avoir des effets néfastes. Il a la capacité de favoriser une croissance excessive des algues, connue sous le nom d'eutrophisation. Ce phénomène empêche la lumière du soleil nécessaire à la croissance d'autres plantes aquatiques et, en se décomposant, les algues formées épuisent l'oxygène dissous dans l'eau, provoquant la mort des poissons et d'autres organismes aquatiques.                 

Le phosphore pénètre dans les eaux usées principalement de deux manières :

1. Par le rejet direct de détergents et d'engrais phosphatés
2. Conséquence naturelle de l'altération et de l'érosion du sol.

Toutefois, c'est dans les stations d'épuration des eaux usées que le problème est le plus aigu, car celles-ci ne sont souvent pas équipées pour éliminer efficacement le phosphore, ce qui le libère dans l'environnement en quantités dangereuses.

Le phosphore peut contaminer les eaux souterraines et les eaux de surface, qui sont souvent utilisées comme sources d'eau potable. L'ingestion d'eau contaminée par le phosphore peut entraîner des problèmes de santé chez l'homme, tels que des lésions rénales et l'ostéoporose. Le phosphore peut également s'accumuler dans les sédiments au fond des sources d'eau, où il peut être libéré dans l'eau dans certaines conditions. Cela signifie que le phosphore peut continuer à causer des problèmes de qualité de l'eau longtemps après avoir été rejeté,   

On estime qu'environ 85 % du phosphore rejeté dans l'environnement provient du réseau d'égouts de l'ARU (eaux usées urbaines). L'agriculture est responsable des 15 % restants, mais son influence est relativement faible car, contrairement aux nitrates, le phosphore est bien absorbé et stocké dans le sol. Le phosphore se présente sous forme de phosphate dans les formes suivantes :                                                                                      

• Orthophosphates solubles : ils sont facilement précipités et peuvent provenir directement des rejets ou résulter de la dégradation, au cours du processus de traitement, de polyphosphates organiques ou inorganiques.

• Polyphosphates : Ils peuvent être organiques ou inorganiques. Ils peuvent se dégrader en orthophosphates ou rester inertes.                                                           

Présence de phosphore

Ils peuvent également être en solution ou en suspension plus ou moins sédimentable. La relation entre ces différentes formes est très variable et il n'est pas possible de fournir des données très précises :

• Dans une SAU brute, les orthophosphates peuvent représenter 15 à 35 % des phosphates totaux.
• Dans les URA décantées, la proportion augmente de 5 à 10 %.
• Dans une URA avec traitement secondaire (biologique), la fraction d'orthophosphates peut atteindre 50 %, voire 90 %.

Si l'on compare les formes inorganiques et organiques, ces dernières représenteraient environ 30 %.

Seule une petite fraction des phosphates (principalement d'origine organique) est sédimentable. Cette fraction est généralement estimée entre 5 et 15 % du total. Dans une première estimation, nous pouvons considérer que 10 % est une valeur raisonnable.

Cycle du phosphore

Le cycle du phosphore est un processus biogéochimique qui se produit dans les écosystèmes et qui décrit comment le phosphore se déplace.

• Les organismes absorbent l'élément sous forme de phosphates.
• Le sol et les organismes vivants interagissent (plantes, animaux et humains) et une grande partie du phosphate est également rejetée dans les eaux marines, où elle est absorbée par les oiseaux, les poissons et les algues.
• La proportion de phosphore dans la matière est faible, mais il joue un rôle indispensable dans la vie.
• Le cycle biogéochimique du phosphore est mobile dans toute la biosphère. Cela concerne tous les écosystèmes, tant terrestres qu'aquatiques. Le cycle prend en charge les besoins cellulaires les plus importants de chaque organisme.

3. les systèmes de traitement des effluents phosphorés

Le processus d'élimination du phosphore des eaux usées est généralement réalisé par des traitements physico-chimiques ou biologiques, ou par une combinaison des deux.

Il existe plusieurs systèmes pour éliminer le phosphore et ses composés des eaux usées. Voici les trois systèmes de séparation les plus courants :

• Comme décantable DM : Supprimé par clarification primaire.
• En tant que MS colloïdale : dans ce cas, la floculation est nécessaire pour son élimination, soit naturellement avec les boues activées (déphosphatation simultanée), soit provoquée par le dosage de réactifs coagulants et floculants (pré ou post-déphosphatation).
• En tant que DM soluble : un sel d'aluminium, un sel de fer ou de la chaux est ajouté à la solution contenant du phosphore pour produire un composé insoluble (phosphates métalliques ou formations de phosphate/calcium), ce qui entraîne une précipitation du phosphore sous forme de sel. Comme il n'est pas pratique de procéder à des corrections de pH, il est nécessaire de fournir une dose de sel trivalent supérieure au rapport molaire théorique 1/1.

3.1 Traitement physico-chimique

Les sels de phosphore métalliques insolubles sédimentent difficilement, il est donc nécessaire de floculer avec un excès de coagulant et d'ajouter un polymère organique comme coadjuvant de floculation. Cette opération est également nécessaire pour éliminer les composés phosphorés présents sous forme colloïdale. La technologie la plus efficace est la flottation à l'air dissous (DAF), étant donné la faible sédimentabilité des flocs formés.                                                                 

3.2 Traitement biologique

Ce procédé utilise des micro-organismes capables d'accumuler l'excès de phosphore. Dans ce processus, les bactéries se nourrissent du phosphore présent dans l'eau et l'incorporent dans leurs cellules. Lorsque ces bactéries meurent et se déposent, le phosphore est contenu dans les boues qui en résultent et peut être facilement éliminé.

SIGMADAF dispose de technologies permettant le traitement biologique des rejets contenant un excès de phosphore. Le MBBR (Moving Bed Biological Treatment) permet de traiter ces rejets au moyen de charges spécifiques et de conditions sélectives. Cette technologie offre des performances maximales pour un encombrement minimal et une réduction significative des coûts d'exploitation (énergie, gestion des boues, etc.).

3.3 Méthode combinée

Il s'agit généralement de la méthode la plus efficace. Dans ce cas, un traitement physico-chimique est d'abord effectué pour éliminer la majeure partie du phosphore, puis un traitement biologique est appliqué pour les niveaux restants.

SIGMADAF combine les technologies DAF, MBBR et MBR pour obtenir les meilleurs résultats de traitement des eaux usées à forte teneur en phosphore.

En fin de compte, le choix de la méthode d'élimination du phosphore la plus appropriée dépendra de facteurs tels que la quantité de phosphore présente, les ressources disponibles et les réglementations environnementales en vigueur.

4. Traitement des effluents contenant du phosphore par flottation à l'air dissous

Le processus le plus approprié pour séparer les phosphates en suspension est la flottation au moyen de systèmes DAF. Ceci est dû à la faible densité des flocs obtenus après le conditionnement chimique de l'effluent, qui est effectué avec des coagulants et des floculants spécifiques.

SIGMADAF dispose de systèmes DAF pour la séparation du phosphore et d'autres polluants. Cet équipement se compose d'un système de mélange à serpentin (PFL), suivi d'un flotteur à air dissous (DAF).

Floculateurs PFL Les floculateurs PFL se caractérisent par le principe du "processus en ligne". Les différents processus qui se déroulent dans cet équipement (coagulation, floculation, désémulsification, précipitation et contrôle du pH) ont lieu dans des conditions très contrôlées et bien définies, de sorte que l'effluent peut être facilement clarifié par la suite dans le système DAF.

Assemblage de flottation PFL - DAF

La flottation à l'air dissous est une technologie idéale pour séparer efficacement les solides, les huiles, les graisses et les flocs des eaux usées.

Les eaux usées conditionnées sont pompées du système de coagulation-floculation vers l'unité DAF, où s'effectue le dosage des coagulants, des polyélectrolytes et des produits d'ajustement du pH pour une formation efficace des flocs. En cas de présence de phosphore soluble, de la chaux peut également être ajoutée.

Les systèmes DAF sont spécialement conçus pour traiter les eaux usées contenant des solides à faible flottabilité qui nécessitent une grande surface de séparation. L'alimentation en air sous pression est nécessaire pour améliorer la flottation des particules lorsque la gravité spécifique des particules est affectée par un mélange d'émulsions, d'huiles et de solides.

Une pompe de recirculation redirige une partie de l'eau clarifiée vers la sortie de l'unité DAF, où se trouve un système de pressurisation/saturation. L'eau recirculée est pressurisée par la pompe à environ 6 bars et mélangée à de l'air. Dans ces conditions de pression, l'air est dissous dans l'eau.

À l'intérieur de l'unité DAF, la dépressurisation se produit, ce qui génère des microbulles d'air d'un diamètre compris entre 3 et 50 microns, qui se dissolvent et permettent l'élimination des solides et des flocs qui n'ont pas tendance à flotter. Les bulles se fixent rapidement sur les flocs en suspension, qui remontent à la surface, où ils flottent en perdant leur densité.

Ce mélange d'eau et de bulles d'air dépressurisées est distribué de manière homogène dans le compartiment d'entrée de l'unité DAF dans des conditions laminaires. D'autre part, les particules flottantes sont dirigées directement vers le système d'écrémage, situé au sommet de l'unité, où elles sont éliminées par un système d'écrémeurs.

Les matières décantables s'écoulent vers le compartiment à sédiments, situé au fond de l'unité DAF, et sont évacuées par le système d'extraction des boues.

Une fois que la mousse s'est formée à la surface, elle est retirée mécaniquement de l'eau traitée. Les phosphates et autres contaminants sont concentrés dans la mousse, ce qui permet de les récupérer ou de les éliminer en toute sécurité conformément aux exigences légales locales.

L'eau clarifiée quitte l'unité DAF via un système de surnageant réglable.

Schéma de séparation des phosphates par DAF

5. Résumé

La présence de phosphore dans les eaux usées est un problème grave qui requiert une attention prioritaire. Cet élément, bien qu'essentiel à la vie, peut, en grandes quantités, endommager les écosystèmes aquatiques et contribuer à la prolifération d'algues nuisibles (eutrophisation). Letraitement des eaux usées est donc d'une importance capitale pour réduire la quantité de phosphore rejetée dans l'environnement.

Dans cet article, il a été fait référence aux différentes techniques utilisées pour éliminer le phosphore des eaux usées, y compris les processus physiques, chimiques et biologiques. Bien que chacune ait ses avantages et ses inconvénients, il est évident que c'est la combinaison de ces techniques qui permet d'obtenir la plus grande efficacité dans l'élimination de ce polluant.

En résumé, le traitement des eaux usées contenant un excès de phosphate par DAF est une technique efficace pour réduire les niveaux de phosphate, contribuant ainsi à la protection de l'environnement et au respect des réglementations en matière de qualité de l'eau.

Une gestion et une réglementation adéquates des eaux usées jouent également un rôle crucial dans la prévention de la pollution par le phosphore. À cet égard, il est important que les gouvernements et les organisations concernées établissent et appliquent les réglementations nécessaires pour le traitement des eaux usées.

Enfin, chacun d'entre nous a un rôle à jouer dans la réduction de la pollution par le phosphore. En utilisant de manière responsable les produits contenant du phosphore, tels que les détergents et les engrais, nous pouvons contribuer à minimiser les rejets de phosphore dans l'environnement. Il est donc impératif que nous prenions tous conscience de la gravité de ce problème et que nous travaillions ensemble pour protéger nos précieuses ressources aquatiques.

Bibliographie et consultations

Élimination du phosphore dans les eaux usées (usal.es)

Phosphore dans les eaux usées : impact sur l'environnement et méthodes de traitement | Water Institute

Élimination du phosphore dans les eaux usées (usal.es)