En raison des derniers resserrements réglementaires en vigueur au Québec, il est de plus en plus fréquent de voir, dans les nouveaux projets de traitement des eaux usées, des étapes expressément consacrées à l’enlèvement de l’azote et du phosphore.
Qu’ils soient dus aux rejets de stations de traitement des eaux usées, à du ruissellement agricole ou à d’autres sources, ces polluants deviennent des nuisances environnementales majeures pour nos rivières et nos plans d’eau : ils favorisent l’eutrophisation des milieux aquatiques et la destruction de la faune et de la flore marines.
En parallèle, le phosphore et l’azote sont aussi des éléments indispensables à la croissance des plantes. Ils entrent dans la composition des engrais utilisés en agriculture afin de maintenir le rendement des cultures. Le phosphore présente d’ailleurs une particularité : c’est une ressource non renouvelable, et son exploitation soulève des enjeux environnementaux et géopolitiques.
Des procédés complexes
La valorisation des boues d’épuration et du fumier comme fertilisants pour les champs permet de récupérer une partie des nutriments présents dans les boues. Toutefois, les besoins en nutriments varient selon les caractéristiques propres à chaque sol ainsi que les cultures en place. Par exemple, les épandages de fumier, généralement basés sur les besoins en azote des cultures, entraînent souvent un surdosage de phosphore en raison du déséquilibre du rapport N/P entre le fumier et les besoins de la biomasse des cultures.
La qualité des boues constitue également un enjeu : elles peuvent contenir des contaminants indésirables, comme certains métaux ou composés chimiques. Les procédés de récupération doivent donc garantir que les nutriments extraits répondent à des normes strictes de sécurité et de qualité.
Dans ces circonstances, il apparaît donc essentiel de pouvoir récupérer ces nutriments, les purifier et les concentrer afin de mieux les valoriser selon les besoins agronomiques des sols concernés. La suite de cet article brosse un portrait des différents procédés pouvant être utilisés pour la récupération des nutriments.
La séparation solide-liquide pour capter le phosphore
Que ce soit pour les boues agricoles ou municipales, digérées ou non, différents procédés de séparation solide-liquide peuvent être utilisés comme première étape de séparation physique. Ils consistent à extraire la portion de nutriments particulaires avec les composés organiques présents dans la phase solide. Il existe deux procédés de séparation solide-liquide :
- La séparation mécanique à basse vitesse
Celle-ci peut être effectuée avec des presses à vis ou des pressoirs rotatifs. Ces équipements sont peu énergivores et sont simples d’utilisation. Toutefois, afin de pouvoir séparer un élément comme le phosphore, il est essentiel de prévoir une coagulation et une floculation préalables pour capter celui-ci en flocs. Les pressoirs rotatifs sont plus appropriés pour ce genre d’application, car ils possèdent un meilleur taux de capture des solides, et donc des flocs de phosphore.
- La centrifugation
Ce procédé est plus complexe, mais permet une certaine récupération du phosphore sans l’utilisation de produits chimiques. En effet, comme observé pour certaines boues agricoles, en fonction des traitements préalables (compostage, digestion, etc.), il est possible de retirer une portion considérable du phosphore, alors présent sous forme de particules fines.
Après cette première étape de séparation, on peut envisager de filtrer la phase liquide pour affiner le degré de séparation des nutriments. Une telle approche permet ultimement d’atteindre de l’eau ultrapure avec une étape de filtration membranaire à l’osmose inverse. Les nutriments dissous résiduels sont alors récupérés sous forme liquide concentrée dans le filtrat, comme les autres constituants de l’eau. Une attention particulière est de mise pour éviter le colmatage, particulièrement lors de l’utilisation de membranes.
Le strippage de l’ammoniaque
Le strippage, ou extraction, de l’ammoniaque est un procédé utilisé pour récupérer l’azote ammoniacal de la phase liquide. Il consiste à transformer l’ion ammonium (NH4+) en ammoniac gazeux (NH3). Dans des conditions optimales, soit une température haute et un pH élevé, l’air est injecté dans une colonne de strippage pour entraîner le NH3 hors de l’eau. L’ammoniac récupéré peut être capté dans une solution acide, produisant des sels d’ammonium valorisables directement comme engrais durable.
La séparation des sels par procédé de précipitation de struvite
Afin de capter simultanément l’azote et le phosphore, une autre approche consiste à produire, en situation contrôlée, un minerai appelé « struvite ». La formation de struvite requiert des proportions précises de phosphore, d’azote et de magnésium.
De façon générale, le procédé consiste à injecter l’affluent dans un réacteur spécialisé permettant le dégazage du CO2 et l’ajustement à un pH optimum. Par la suite, du sel de magnésium est ajouté, ce qui déclenche la réaction de formation de la struvite de façon contrôlée sous forme de cristaux stables qui décantent au fond du réacteur. Les cristaux peuvent ensuite être récoltés, séchés et utilisés comme engrais à haute pureté et à libération lente, privilégié pour les cultures agricoles.
Cette solution présente un double avantage. En plus de la récupération des nutriments sous forme purifiée, elle réduit certains problèmes d’exploitation dans les usines de traitement, puisque la struvite peut parfois s’accumuler spontanément sous forme de dépôts particulièrement résistants dans les conduites ou les équipements de traitement.
Une pratique aux avantages multiples
La récupération des nutriments s’inscrit dans une approche d’économie circulaire, où les matières résiduelles sont transformées en ressources réutilisables de haute qualité plutôt que gérées comme des déchets.
Cette récupération présente plusieurs avantages environnementaux : d’abord, elle contribue à préserver les réserves mondiales de certains éléments, comme le phosphore, en réduisant le besoin d’extraction minière. Ensuite, elle diminue les rejets de nutriments dans l’environnement et limite ainsi les risques d’eutrophisation des milieux aquatiques. Enfin, elle procure aux agriculteurs des engrais purifiés, qui permettent d’optimiser leur rendement et qui garantissent des produits agricoles de qualité.
