I.Introduction
Après avoir longtemps cherché, je ne savais vraiment pas quoi écrire. En repensant à mes articles précédents, j'ai réalisé que je n'avais pas abordé le phosphore, c'est donc le sujet d'aujourd'hui. Le phosphore est un polluant courant dans les eaux usées, principalement divisé en deux catégories : « le phosphore organique et le phosphore inorganique ». Les personnes travaillant dans le secteur de la protection de l’environnement connaissent bien cet indicateur. Le phosphore semble simple, mais il peut encore être délicat dans certaines eaux usées.
II. Formes et caractéristiques du phosphore
Le phosphore existe dans les eaux usées sous forme de phosphore organique et inorganique. Le phosphore inorganique est ensuite divisé en orthophosphate et métaphosphate. L'élimination finale du phosphore nécessite une conversion en orthophosphate.
Orthophosphate (phosphore inorganique) : tel que PO₄³⁻, HPO₄²⁻. Forme la plus courante, elle a une bonne solubilité et peut être directement utilisée par les organismes. Il peut être éliminé directement par des méthodes physico-chimiques.
Métaphosphate (phosphore inorganique) : tel que le pyrophosphate, le tripolyphosphate (issu des détergents), qui s'hydrolyse progressivement en orthophosphate dans l'eau.
Phosphore organique : comme les pesticides et la phosphocréatine. La plupart se trouvent dans les polluants organiques et doivent d’abord être hydrolysés en orthophosphate avant de pouvoir être efficacement éliminés.
III. Stratégies d'élimination du phosphore
La voie d’élimination du phosphore consiste généralement à le convertir d’abord en orthophosphate, puis à envisager des méthodes d’élimination biologique ou chimique. L'élimination biologique du phosphore a une efficacité limitée, généralement limitée au phosphore présent dans les eaux usées domestiques, et lorsque la concentration est trop élevée, elle doit être complétée par une élimination chimique du phosphore. L'élimination chimique du phosphore est la meilleure méthode, mais elle ne convient pas aux procédés à boues activées, car les agents d'élimination du phosphore peuvent nuire à la croissance des micro-organismes.
Le cœur de la conversion du phosphore organique en phosphore inorganique (orthophosphate) est le processus de minéralisation, essentiellement la rupture des groupes fonctionnels organiques, le phosphore étant oxydé en PO₄³⁻. Ce processus n’a pas une seule équation fixe ; selon les conditions de réaction, il s'inscrit principalement dans les trois voies typiques suivantes :
① Biodégradation (la plus courante) : catalysée par les phosphatases (telles que la phosphatase alcaline), les liaisons C-O-P ou C-P du phosphore organique sont rompues. En prenant comme exemple les monoesters de phosphate :
R-O-PO₃²⁻ + H₂O → R-OH + HPO₄²⁻ (ou PO₄³⁻)
Caractéristiques : Température et pression normales, vertes et économiques. Les eaux usées municipales reposent principalement sur cette méthode, mais la vitesse de réaction dépend de l'activité microbienne et de la température.
② Méthode d'oxydation chimique (traitement industriel en profondeur) : ajout d'un oxydant puissant (tel que le réactif de Fenton·OH) pour oxyder complètement les organophosphates. En prenant comme exemple les pesticides organophosphorés (comme le malathion) :
(C₁₀H₁₉O₆PS₂) + 21·OH → 10CO₂ + 14H₂O + SO₄²⁻ + H₂PO₄⁻
Caractéristiques : Réaction rapide et minéralisation approfondie. Convient aux eaux usées industrielles peu biodégradables, mais le coût d'exploitation est relativement élevé.
③ Incinération à haute-température (boues/déchets solides) : le chauffage dans des conditions riches en oxygène-convertit directement le phosphore organique en résidus de phosphate inorganique stable, souvent fixés dans les cendres sous forme de métaphosphate ou de pyrophosphate. Convient aux déchets dangereux contenant du phosphore à haute -concentration-.
Dans le traitement réel des eaux usées, la grande majorité de la conversion du « phosphore organique en phosphore inorganique » repose sur une hydrolyse catalysée par des enzymes biologiques. La réaction implique toujours H₂O et le produit final est presque toujours de l'orthophosphate (PO₄³⁻ ou HPO₄²⁻), qui est une condition préalable à l'élimination chimique ultérieure du phosphore (ajout de sels d'aluminium/fer) pour précipiter et éliminer le phosphore.
IV. Élimination biologique du phosphore
Principe : En utilisant les caractéristiques des organismes accumulateurs de polyphosphates (PAO) libérant du phosphore dans la zone anaérobie et absorbant excessivement le phosphore dans la zone aérobie, le phosphore est finalement éliminé en évacuant des boues riches en phosphore.
Processus courants : A²/O (anaérobie-anoxique-aérobie) et ses variantes (telles que les fossés d'oxydation, SBR). Ce processus peut éliminer simultanément l'azote et le phosphore, atteignant un taux total d'élimination du phosphore d'environ 60 %.
Noyau : Rentable-et capable de traiter les organophosphates (en les convertissant en orthophosphate avant absorption), mais manque de stabilité lorsque les concentrations des effluents sont extrêmement strictes (par exemple,<0.5 mg/L).
V. Élimination chimique du phosphore
Principe : L'ajout de sels d'aluminium (par exemple, sulfate d'aluminium) ou de sels de fer (par exemple, chlorure ferrique) réagit avec les ions phosphate pour former des précipités insolubles (par exemple, AlPO₄, FePO₄).
pH optimal : sels d'aluminium d'environ 6 à 7, sels de fer d'environ 5 à 5,5 ; un contrôle minutieux est nécessaire.
Stratégie : généralement ajouté comme étape de traitement en profondeur après le réservoir de traitement biologique, ou ajouté conjointement avec celui-ci à des moments précis pour garantir une conformité stable de la qualité de l'eau.
Pour les eaux usées industrielles organophosphorées à forte concentration ou récalcitrantes, une oxydation avancée (par exemple, le procédé Fenton) est nécessaire pour le prétraitement à l'extrémité amont ; si nécessaire, le métaphosphate doit être converti en orthophosphate par oxydation avancée pour une élimination ultérieure.