Technologies intégrées de sorption pour récupérer azote et phosphore des perméats issus d’un bioréacteur anaérobie à membranes

Wayne Parker, professeur, Université de Waterloo, 2013 - 2015

Enjeu

Les eaux usées municipales contiennent une quantité importante d’azote et de phosphore, lesquels éléments, s’ils sont déversés dans des plans d’eau, peuvent causer l’eutrophisation et la dégradation de la qualité des eaux de surface. Par conséquent, les services publics dépensent des ressources considérables pour retirer ces substances des eaux usées. D’autre part, l’azote et le phosphore ont un potentiel très appréciable en agriculture et dans les procédés industriels, en tant qu’engrais et matières de base. La récupération de ces éléments nutritifs des eaux usées n’a pas été pratique courante dans le passé, mais la disponibilité limitée du phosphore minéral et les hausses éventuelles des coûts de fabrication d’ammonium favoriseront le recours à de telles procédures.

Il existe actuellement des technologies pour générer des engrais viables sur le plan commercial à partir des eaux usées, mais ces processus ne fonctionnent que dans des systèmes riches en éléments nutritifs – les faibles concentrations présentes dans les flux d’eaux usées ne sont pas directement exploitables. Néanmoins, dans des flux importants ces faibles concentrations représentent une quantité substantielle de phosphore et d’azote perdus. Dans le cadre de ce projet, les chercheurs se proposent de capter ces éléments dans des flux d’eaux usées diluées.

À l’aide de technologies basées sur la sorption, ce projet vise la récupération d’azote et de phosphore dans les perméats générés lorsque les eaux usées municipales sont traitées dans des bioréacteurs anaérobies à membranes (BRAM). La mise en œuvre réussie de ces technologies contribuera à rehausser de façon importante la viabilité du traitement des eaux usées, puisque cela permettrait d’éliminer des processus de nitrification très énergivores et l’ajout de produits chimiques pour retirer le phosphore.

Projet

Le projet proposé portera sur l’évaluation et le développement de technologies de sorption pour la récupération d’azote et de phosphore dans les flux d’eaux usées. Le projet se déroulera en deux phases.

À la phase 1, les chercheurs évalueront les adsorbants disponibles dans le commerce pour déterminer leur utilité dans ce contexte. Les essais initiaux seront réalisés avec de l’eau propre pour établir des constances d’équilibre pour la sorption d’azote et de phosphore. Ils ajouteront des particules chargées à ces échantillons, les rendant progressivement rendus plus complexes, ce qui aidera à déterminer les effets de l’adsorption concurrentielle sur l’absorption des éléments nutritifs. Une technologie de sorption idéale pour récupérer les éléments nutritifs permettrait de retirer sélectivement la substance visée, dans ce cas-ci, l’azote ou le phosphore, jusqu’à obtenir une faible concentration dans les eaux usées, tout en maintenant une bonne masse solide. De plus, la sorption serait rapidement régénérée à l’aide de substances régénérantes peu couteuses, après quoi ces substances seraient converties en un produit utile, comme un engrais. Pendant les essais, nous examinerons attentivement le processus de régénération pour établir les conditions optimales de régénération, en tenant compte de facteurs tels que la concentration des régénérants, leur composition et le temps.

À la phase 2 du projet, des substances appelées matériaux nanostructurés (matériaux constitués de nanoparticules) seront conçues pour cibler l’ammonium et le phosphate. Grâce à leur grande surface de contact et leurs propriétés ajustables, les matériaux nanostructurés (MNS) peuvent être conçus pour traiter des contaminants spécifiques dans les eaux usées, permettant aux chercheurs de créer des options de traitement sur mesure pour des environnements précis. Dans le cadre de ce projet, notre équipe mettra à l’essai de nouveaux MNS pour retirer une gamme variée d’espèces phosphorées et azotées, y compris des espèces organiques qui actuellement ne peuvent pas être retirées avec efficacité. Les propriétés des MNS seront contrôlées en optimisant plusieurs paramètres, dont le pH, la vitesse d’agitation et le temps de réaction.

Produits

• Les progrès seront publiés dans des bulletins semestriels à l’intention de tous les partenaires qui apportent une contribution financière ou en nature.
• Les communications écrites comprendront en outre des publications dans des revues à comité de lecture ou des comptes rendus de conférences avec comité de lecture.
• Les chercheurs comptent tenir des conférences téléphoniques deux fois par an afin de présenter les résultats actuels du projet aux partenaires. Des présentations en personne auront lieu dans le cadre de la Conférence des étudiants en sciences et génie de l’environnement de Gananoque.

Résultats

• La mise au point fructueuse des technologies proposées contribuerait grandement à rendre le traitement des eaux usées plus durable.
• Plusieurs municipalités changeraient leurs pratiques et profiteraient des bénéfices suivants : réutilisation de l’azote et du phosphore, production moindre de boues de station d’épuration et réduction des coûts d’exploitation et d’entretien.
• Les résultats de cette étude fourniront des données clés pour tous les intervenants sur la faisabilité technique et économique de cette méthode de traitement des eaux usées.
• Le projet permet aux experts-conseils, municipalités et fournisseurs de technologies des prises de décisions éclairées concernant cette méthode de contrôle des éléments nutritifs dans le traitement des eaux usées.

L’équipe de recherche fera tout son possible pour mettre à contribution ses partenaires de recherche et la communauté des utilisateurs dans le programme de recherche. À cette fin, les commentaires et la participation interactive de ces partenaires dans le processus de développement sont essentiels.