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Réduction de nutriments (P & N) du lisier de porc par précipitation contrôlée et récupération de la struvite.

Laridi, Rachid (2006). Réduction de nutriments (P & N) du lisier de porc par précipitation contrôlée et récupération de la struvite. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 176 p.

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Résumé

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Le lisier de porc est généralement très concentré en phosphore et en azote, contribuant à l'eutrophisation du milieu aquatique. Les traitements primaires et secondaires ne permettent pas d'enlever une quantité importante de phosphore pour répondre aux normes de rejet qui sont 1 mg.L-1. D'autre part, lors du traitement des effluents chargés en phosphore et en azote, les conditions physico-chimiques deviennent favorables à la précipitation de la struvite MgNH4P04•6H20 sur les tuyaux et pompes des procédés de traitement occasionnant d'énormes coûts. Nous avons développé un procédé pour récupérer la struvite du lisier de porc, minimisant ainsi les apports en orthophosphates et en ammonium aux eaux de ruissellement. Des essais préliminaires ont permis de modéliser les conditions de précipitation de la struvite à l'aide du modèle d'équilibres chimiques Visual MINTEQ dans des conditions de solution pure. D'autre part, afin de confirmer ces conditions de précipitation, des expériences en solution aqueuse synthétique ont été menées en utilisant des sels de phosphates d'ammonium et de sulfate de magnésium. Dans une deuxième étape, une caractérisation de différents types de lisiers de porc a permis de sélectionner le lisier prétraité par coagulation/floculation, compte tenu de la composition physico-chimique qui favorise la précipitation de la struvite (ratio NH4 :Mg:PP04 favorable et faible concentration en matières en suspension). Des essais au laboratoire ont permis de déterminer les conditions optimales de précipitation de la struvite dans cet effluent. L'enlèvement des phosphates et de l'ammonium a atteint 98 % et 17 % respectivement lors des expériences à l'échelle de laboratoire. L'aération du lisier pour dégager le CO2 et augmenter le pH sans ajout de NaOH n'a pas été fructueuse, l'ajout de NaOH s'est avéré nécessaire à l'augmentation du pH. La seule phase cristalline détectée par diffraction aux rayons X était la struvite. Afin de déterminer les conditions optimales de précipitation de la struvite à partir du lisier prétraité, des études de l'effet de la température et de la turbulence sur la cinétique de précipitation de la struvite et la taille des cristaux ont été réalisées à l'échelle laboratoire. Les travaux à l'échelle semi-pilote ont permis la conception d'un réacteur à agitation continue enlevant ainsi 99 % des P-P04 et 16 % de N-NH4. Le temps de réaction en mode statique a été de 30 min alors qu'il a été prolongé à 60 min en mode continu pour permettre une meilleure décantation de la struvite au fond du réacteur. La solubilisation du magnésium suivant l'ajout du FeCb au lisier décanté, provenant d'une ferme porcine de la région de québec, ayant été démontré, il nous fallait vérifier la reproductibilité et l'importance de la solubilisation du magnésium sur des lisiers de porc provenant de différents types d'élevage et de différentes régions géographiques. Dans cette optique, un échantillonnage dans 17 fermes porcines a été réalisé. Les expériences d'ajout de FeCb à chacun de ces échantillons ont permis de confirmer que la solubilisation de magnésium est bien due à l'ajout du fer (FeCb). Celui-ci précipite sous forme de complexes FerP04(OHhr-3(S) entraînant la dissolution de phases minérales amorphes principalement la struvite MgNH4P04'6H20 sous l'effet de l'ion commun (Principe de Le Chatelier), et initialement présents dans les lisiers étudiés. La présence de cette « st ru vite amorphe » semble universelle dans le lisier de porc. Les expériences à l'échelle pilote, qui se sont déroulées à la ferme, ont été réalisées en mode statique (batch) et en modes semi-continu et continu. Un temps de réaction (TRH) de 40 min a été nécessaire pour enlever une quantité importante du phosphore. Lors des expériences en continu, le procédé développé a permis un enlèvement de 97 % des phosphates. Les objectifs d'élimination du phosphore ont été atteints aussi bien en mode statique qu'en mode continu. Cependant, si la struvite doit être récupérée sous forme pure sans présence d'impuretés, le traitement en mode statique est plus avantageux. En effet, la struvite formée lors du traitement continu se confond avec la matière organique colloïdale puisque le temps de résidence est plus long au fond du réacteur. Lors de ces expériences à l'échelle pilote, et contrairement à celles réalisées en laboratoire et à l'échelle semi-pilote, les analyses de l'effluent après précipitation ont démontré qu'en plus de la struvite, il ya eu précipitation de phases calciques, vraisemblablement de la calcite, considérant la quantité importante de calcium qui a été enlevé lors du traitement. Cette précipitation du calcium est probablement due à la teneur initiale en phosphore qui était plus faible à l'entrée du réacteur. D'autre part, lors de l'ajustement du pH par ajout du NaOH (4N) il Y a possiblement eu une augmentation locale très importante du pH dépassant la valeur voulue de 8,5 avant que le NaOH ne soit réparti dans tout le volume du lisier traité, ce qui a probablement favorisé la précipitation du calcium. Le procédé de précipitation du phosphore sous forme de struvite, après le traitement physico-chimique ayant été développé de façon à minimiser le rejet de phosphore et l'accumulation de la struvite dans la tuyauterie du procédé BIOSORMD, il était nécessaire de vérifier l'impact de ce traitement sur le rendement des biofiltres qui seront alimentés par cet effluent déphosphaté avec un pH plus élevé (8,5). Dans cette optique, il nous a paru nécessaire de mener une étude pour évaluer l'effet de cette élimination du phosphore sur le traitement biologique. L'étude a été menée en utilisant une colonne de biofiltration garnie de support organique à l'échelle laboratoire. Cette colonne a été alimentée par du lisier ayant subi un traitement de précipitation de la struvite. L'alimentation du biofiltre par du lisier ayant une faible teneur en phosphore et un pH plus élevé n'a pas eu d'effet néfaste sur la capacité épuratoire du biofiltre pour l'enlèvement de la DBOs, DCO ainsi que les processus de nitrification/dénitrification. Le rabattement de ces paramètres est demeuré semblable au rendement enregistré durant la période de démarrage du biofiltre qui était alimenté par du lisier provenant de la coagulation/floculation. Finalement, afin d'évaluer la rentabilité économique du procédé développé, une étude technico-économique a été réalisée dans un contexte d'implantation du procédé de précipitation du phosphore, sous forme de struvite, dans une unité de traitement du lisier de porc déjà existante. L'estimation des coûts d'implantation du procédé a été faite en construisant un modèle à l'aide d'un chiffrier Excel qui pourra être utilisé par la suite, pour l'adapter dans des unités de traitement de capacité supérieure ou inférieure à la présente étude. L'étude technico-économique a pris en considération les deux étapes de traitement, à savoir le traitement physico-chimique de coagulation/floculation et l'étape de précipitation du phosphore sous forme de struvite. Lors de cette étude, différents scénarios d'implantation ont été considérés (traitement du lisier frais, traitement du lisier prétraité en batch et traitement du lisier prétraité en continu). Le choix de l'un ou l'autre des différents scénarios envisagés dépendra alors des infrastructures de traitement existantes dans une ferme qui serait intéressée à implanter le procédé développé de précipitation du phosphore.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Auclair, Jean-Christian
Co-directeurs de mémoire/thèse: Benmoussa, Hamel
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: nutriments; lisier de porc; précipitation; récupération; économique; écologique; phosphore; azote; struvite
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 06 févr. 2014 21:14
Dernière modification: 23 nov. 2015 20:07
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/1814

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