Une solution durable

Par University of Toronto3 juin 2023

Les chercheurs ont mis au point une méthode pour extraire et récupérer des nutriments précieux comme le phosphate et l'ammonium des eaux usées à l'aide d'une membrane spécialement conçue contenant des particules inorganiques. La recherche, qui positionne les eaux usées comme une ressource plutôt qu'une nuisance, pourrait potentiellement contribuer à une économie circulaire en fournissant des matériaux pour la production d'engrais agricoles et atténuer les pénuries imminentes de ces nutriments qui pourraient menacer l'approvisionnement alimentaire mondial.

Doctorat en génie de l'Université de Toronto. La candidate Sara Abu-Obaid (ChemE) estime qu'un changement fondamental est en retard dans le secteur de la gestion des eaux usées.

« Nous devons cesser de considérer les eaux usées comme une nuisance pour reconnaître leur potentiel en tant que ressource », dit-elle. "Il peut nous fournir de l'eau, des nutriments, de l'énergie et d'autres choses de valeur qui peuvent être récoltées et utilisées pour évoluer vers une économie circulaire."

Sous la direction du professeur Ramin Farnood (ChemE), Abu-Obaid est l'auteur principal d'une étude récemment publiée dans la revue Chemical Engineering. Cette recherche présente une méthode écologique pour extraire le phosphate et l'ammonium des eaux usées, tout en permettant la réutilisation de ces nutriments à l'avenir.

Sa nouvelle méthode utilise des membranes avancées incorporant des particules inorganiques pour l'absorption du phosphate et de l'ammonium des eaux usées. En récupérant ces substances de manière rentable, la méthode crée une nouvelle source de matériaux pouvant être utilisés par les fabricants d'engrais agricoles.

L'eau usée provenant du bain, des toilettes, de la lessive et d'autres sources s'écoule dans les égouts vers les égouts qui mènent aux usines de traitement des eaux usées, où elle est nettoyée afin qu'elle puisse être rejetée en toute sécurité dans la nature sans nuire à l'environnement.

Les principaux objectifs du processus de traitement comprennent l'élimination des solides, des matières organiques, des agents pathogènes et des nutriments, tels que ceux qui dérivent des produits ménagers et des excréments - les déchets rejetés par le corps. Parmi ces nutriments figurent le phosphate et l'ammonium, deux ingrédients essentiels des engrais agricoles.

Sara Abu-Obaid (doctorante ChemE) a conçu une nouvelle solution qui utilise des membranes avec des particules inorganiques pour récupérer les nutriments précieux des eaux usées. 1 crédit

Bien que le phosphore soit essentiel à la prospérité de la vie végétale, une trop grande quantité de produit chimique peut provoquer une eutrophisation. Ce processus complexe commence lorsqu'un environnement devient trop riche en nutriments, entraînant une explosion de la croissance des algues. Ces proliférations d'algues nocives épuisent la disponibilité de l'oxygène dans l'eau, créant des «zones mortes» où les organismes aquatiques suffoquent. L'exposition à long terme à l'ammonium peut également être toxique pour la vie aquatique.

Les installations actuelles de traitement des eaux usées ont mis en place des processus pour éliminer le phosphate et l'ammonium pendant le processus de traitement. Généralement, un traitement chimique convertit le phosphate en une forme solide qui se dépose au fond de l'eau, où il est ensuite collecté sous forme de boue et envoyé dans une décharge. L'ammonium est traditionnellement éliminé par traitement biologique, où les bactéries le consomment et le transforment en nitrate puis en azote gazeux.

"Ce sont deux produits de grande valeur qui sont des ingrédients clés des engrais, mais les procédés actuels de traitement des eaux usées traitent ces nutriments comme des déchets", explique Abu-Obaid.

"Ma solution consiste à extraire complètement les nutriments de l'eau, afin qu'elle puisse être utilisée comme source de production d'engrais."

De nombreux scientifiques ont averti que le taux actuel de consommation de phosphore agricole pourrait entraîner des pénuries critiques, ce qui perturberait l'approvisionnement alimentaire à l'échelle mondiale. La nouvelle méthode d'Abu-Obaid pourrait aider à stimuler l'approvisionnement en transformant les eaux usées en une source viable de ces nutriments.

Alors que de nombreuses membranes utilisées pour la filtration de l'eau reposent sur des pores soigneusement conçus pour filtrer leurs substances cibles hors de l'eau, l'approche d'Abu-Obaid est différente. Sa membrane contient de minuscules particules d'akaganeite et de zéolite 13X à haute affinité pour l'adsorption de phosphate et d'ammonium.

"Nous ne supprimons pas les choses que nous voulons supprimer par exclusion de taille ou en appliquant de fortes pressions", déclare Abu-Obaid. "Au contraire, ce sont les particules à l'intérieur de la membrane qui font l'élimination, et c'est le travail de la membrane de les maintenir en place."

Alors que les particules pourraient faire le travail par elles-mêmes, Abu-Obaid dit que la difficulté résiderait dans leur retrait des eaux usées et la peur de leur lessivage. L'utilisation d'une membrane pour les maintenir en place ouvre la possibilité d'un fonctionnement en deux phases : d'abord, les particules adsorbent l'ammonium et le phosphate des eaux usées, puis les membranes sont lavées à l'aide d'une solution d'hydroxyde de sodium pour simultanément récupérer les nutriments et régénérer les particules.

Dans l'étude, les membranes ont pu capturer les ions phosphate et ammonium dans des conditions d'écoulement d'eau dynamiques, entraînant l'élimination de 84 % de l'ammonium et de 100 % du phosphate des eaux usées synthétiques, même en présence d'autres ions concurrents.

Alors qu'Abu-Obaid pense que ses expériences ont montré que la méthode a un grand potentiel pour cette application, elle voit un besoin d'études supplémentaires pour étudier les considérations de conception pour l'application à grande échelle de tels systèmes.

"Il s'agit d'une utilisation non traditionnelle de la technologie membranaire, qui est plus couramment utilisée pour la filtration de type à exclusion de taille", dit-elle.

« Il peut également être difficile de justifier pourquoi nous utilisons cette technologie pour récupérer des nutriments qui ne sont pas encore si rares que les chaînes d'approvisionnement actuelles sont menacées. Mais nous pensons que nous pouvons tirer parti du fait d'avoir une longueur d'avance sur le problème et d'établir des sources durables potentielles pour l'avenir.

D'ici là, Abu-Obaid espère que cette nouvelle solution, ainsi que d'autres technologies innovantes pour récupérer les nutriments des eaux usées, pourront obtenir plus de soutien.

"Nous avons besoin de nouvelles études technico-économiques, d'une stabilité à long terme et d'études pilotes pour démontrer l'utilité de cette technologie pour créer un avenir plus durable pour la gestion des eaux usées", dit-elle.

Référence : "Membranes adsorbantes pour la récupération des nutriments à partir des eaux usées : une nouvelle solution pour les défis de la purification de l'eau" par Sara Abu-Obaid, Shahram Tabe, Mohtada Sadrzadeh et Ramin R. Farnood, 18 avril 2023, Chemical Engineering Journal.DOI : 10.1016/j.cej.2023.143057