Le phosphore est l'un des engrais les plus importants au monde, mais la quantité de gisements naturels de cette matière première est limitée. En collaboration avec nos partenaires, nous travaillons chez IBU-tec au développement de procédés techniques de récupération du phosphore et à l'intégration des boues d'épuration en tant que "matière première" dans l'économie circulaire.
Source de matière première : les boues d'épuration
Selon l'Institut fédéral des géosciences et des matières premières, les réserves mondiales de la roche phosphorite s'élèvent à environ 70 milliards de tonnes. Selon des projections, la production mondiale maximale de phosphate sera atteinte dès 2030.
Une alternative aux réserves naturelles de phosphate peut être les boues d'épuration, qui en contiennent de grandes quantités. Dans le passé, les agriculteurs fertilisaient donc souvent leurs champs avec des résidus issus du traitement des eaux usées. Or, outre le phosphore et d'autres minéraux utiles, ceux-ci contiennent également des polluants dangereux et des métaux lourds.
Avec l'amendement de l'ordonnance sur les boues d'épuration, le législateur a donc décidé en 2017 d'abandonner l'utilisation des boues d'épuration comme engrais. Parallèlement, il a obligé les producteurs de boues d'épuration à récupérer le précieux phosphore. Selon l'Office fédéral de l'environnement, l'Allemagne a produit en 2016 environ 1,8 million de tonnes de matière sèche de boues d'épuration - une source importante de matières premières dont l'utilisation est désormais prescrite par la loi.
Outre la récupération du phosphore en tant que matière première non renouvelable, il existe d'autres possibilités de valorisation des boues d'épuration, qui contiennent de nombreux minéraux et substances favorisant la croissance des plantes. L'objectif doit donc être de s'affranchir de la valorisation liée au sol des boues d'épuration non traitées et de générer un produit qui peut être utilisé comme engrais non polluant.
Le défi particulier du développement d'un procédé thermique pour le traitement des boues d'épuration en vue de la récupération du phosphore résulte de la multitude de valeurs limites prescrites par la loi. Ainsi, l'ordonnance sur les boues d'épuration, la loi sur le recyclage, l'ordonnance sur les engrais et l'ordonnance sur les décharges contiennent des prescriptions détaillées pour le taux de récupération du phosphore ainsi que pour la charge maximale en métaux lourds, le carbone organique total (COT) et la perte au feu, c'est-à-dire la teneur totale en matière organique dans les boues d'épuration.
Procédés thermiques pour la récupération du phosphore des boues d'épuration
La technologie actuellement prédominante pour le traitement thermique des boues d'épuration est le lit fluidisé. Cependant, en raison de leur construction simple et robuste et de leurs exigences réduites en termes de matériaux, les tubes rotatifs conviennent très bien au traitement des boues d'épuration préséchées, notamment dans l'optique d'un traitement dans des incinérateurs. C'est sur ce point que se concentrent les projets d'IBU-tec.
Un procédé thermique utilisé jusqu'à présent pour la récupération du phosphore comprend deux réactions - la pyrolyse et l'oxydation - qui sont réalisées ensemble dans un tube rotatif. Ce procédé a constitué le point de départ de l'étude du processus et du développement d'une installation de traitement thermique des boues d'épuration.
L'objectif d'IBU-tec était de diviser le processus en deux étapes distinctes : d'abord le traitement dans un tube rotatif pyrolyse, puis l'oxydation dans un tube rotatif d'incinération. L'avantage d'un tel procédé est de pouvoir régler et faire fonctionner les étapes du processus séparément.
Développement réussi d'un procédé thermique en deux étapes
L'une des difficultés du processus consistait à trouver la température de réaction optimale de l'étape d'oxydation, car la formation de composés phosphorés solubles se comporte de manière opposée à la concentration de métaux lourds dans les cendres de boues. Ainsi, la solubilité du phosphore diminue lorsque la température augmente, ce qui a un effet négatif sur la disponibilité des plantes, c'est-à-dire sur leur capacité à absorber la substance. En revanche, à des températures plus basses, la teneur en métaux lourds dans les résidus est trop élevée, ce qui entraîne un dépassement des valeurs limites. L'expertise est donc particulièrement importante dans ce domaine.
Sur la base des résultats des essais, IBU-tec a pu déterminer une température de pyrolyse et une température d'oxydation. En outre, il a été possible de prouver qu'il est possible de respecter les valeurs limites légales pour la part de carbone, la perte au feu et la récupération du phosphore grâce au procédé en deux étapes.
Calcul exemplaire pour Weimar
En 2017, l'Allemagne a produit environ 1,7x10^6 tonnes de boues d'épuration sous forme de matière sèche. En tenant compte d'environ 75 % d'humidité, cela correspond à environ 5 100 t de boues d'épuration produites par une petite ville comme Weimar, qui compte environ 65 000 habitants. Sur cette base, un calcul exemplaire des flux de masse et des apports énergétiques a été réalisé.
Résumé des résultats et perspectives
Au cours de nos essais, nous avons acquis des connaissances qui étayent nos réflexions. Un brevet a été déposé à cet effet. Nos essais ont montré que le procédé en deux étapes pour récupérer le phosphore des boues d'épuration respecte les valeurs limites concernant le COT et la perte au feu. La solubilité du phosphore, qui est utilisée comme mesure de la disponibilité des plantes, se situe dans le cadre attendu des procédés thermiques de récupération du phosphore.
Dans les essais suivants, la charge en métaux lourds doit maintenant être optimisée. Une possibilité de réduire encore la charge en métaux lourds consiste par exemple à ajouter des additifs (par ex. MgCl2) afin de réduire le point d'ébullition et de les faire passer en phase gazeuse à la température de réaction.