Performance hydraulique et traitement du filtre réactif dans les systèmes de traitement des eaux usées décentralisés

Il y a une préoccupation importante concernant le rejet des eaux usées domestiques dans les eaux de surface et les eaux souterraines, notamment dans les zones non raccordées aux installations d'assainissement centralisées. Le phosphore et l'azote, qui sont des nutriments clés, sont de grands contributeurs à l'eutrophisation. Dans le Chapitre 2, les systèmes de traitement sur site sont évalués, soulignant l'importance du traitement tertiaire dans leurs processus. Les filtres réactifs montrent un potentiel prometteur en tant qu'unités de traitement tertiaire pour les systèmes sur site, offrant une élimination efficace des polluants. Dans chapitre 3, trois filtres réactifs à base de scories d’aciérie ont été alimentés avec des effluents domestiques secondaires contenant des bicarbonates (column 1-blank), des bicarbonates avec du carbone organique soluble (column 3-organic matter) et des bicarbonates avec des matières particulaires (column 2-TSS) sur une période de 30 jours. Les échantillons d'eau ont été analysés pour les concentrations en nutriments et en métaux, l'alcalinité et le pH, tandis que les scories d’aciérie sont été examinés par microscopie électronique à balayage. La précipitation de la calcite a épuisé les scories d’aciérie sans provoquer d'accumulation de pression. L'indice de saturation et la forme des précipités de calcite ont été influencés par la présence de carbone organique. Les principales réactions étaient la formation de calcite, la libération d'hydroxyde et la formation d'hydroxyapatite. Une élimination efficace du phosphate a été observée, avec des concentrations de sortie inférieures à 1 mg P-PO4/L. Environ 30 % de l'ammonium (NH4+) a été éliminé dans les filtres alimentés par du carbone organique biodégradable, la nitrification étant dépendante des niveaux de pH. Les filtres réactifs à base de scories d’aciérie se sont avérés adaptés au traitement tertiaire des eaux usées domestiques à forte alcalinité, soulignant l'importance du contrôle de l'alcalinité. Dans une étude parallèle à chapitre 4, deux filtres réactifs avec des scories d’aciérie de four à arc électrique (colonne 1-S et colonne 2-R) ont été utilisés pour le traitement tertiaire chez les utilisateurs domestiques de l'eau souterraine. La colonne 1-S a été alimentée avec des eaux usées secondaires synthétiques contenant de l'azote (N), du phosphore (P), de l'alcalinité, des solides en suspension totaux (TSS) et de la matière organique biodégradable. En revanche, la colonne 2-R a été alimentée avec des eaux usées secondaires réelles avec une haute alcalinité mais sans vi phosphore. Les données de pH ont mis en évidence l'impact de l'alcalinité, atteignant 9,9 dans la Colonne 1-S et 8,6 dans la Colonne 2-R. Les scories d’aciérie ont montré une grande sélectivité pour le phosphate par rapport aux carbonates, même à des niveaux de phosphate faibles. Des conditions anoxiques-faiblement oxiques ont été confirmées, avec une élimination de l'azote d'environ 24 % dans la Colonne 1-S. La concentration d'ammonium a diminué sur six mois, avec une diminution initiale des nitrates due à la dénitrification, suivie d'une augmentation. Les indices de saturation ont indiqué une précipitation partielle de l'hydroxyapatite et la formation de calcite tout au long de la Colonne 1-S, tandis que la Colonne 2-R a connu un changement dû au remplacement des bicarbonates. L'analyse EDS a confirmé une élimination majeure du phosphate et de la calcite dans les sections inférieures de la colonne. Les mesures de la pression sont restées stables, probablement en raison d'un dépôt efficace des particules.

Abstract

There is a significant concern about domestic wastewater being released into surface water and groundwater, particularly in areas not connected to centralized wastewater facilities. Phosphorus and nitrogen, which are key nutrients, are major contributors to eutrophication. In Chapter 2, onsite treatment systems are evaluated, highlighting the importance of tertiary treatment in their processes. Reactive filters are promising as tertiary treatment units for onsite systems, providing effective pollutant removal. In Chapter 3, three reactive filters based on steel slag were fed with secondary domestic effluents containing bicarbonates (column 1-blank), bicarbonates with soluble organic carbon (column 3-organic matter), and bicarbonates with particulate matter (column 2-TSS) over a period of 30 days. Water samples were analyzed for nutrient and metal concentrations, alkalinity, and pH, while the steel slags were examined by scanning electron microscopy. Calcite precipitation depleted the steel slags without causing pressure build-up. The saturation index and the form of calcite precipitates were influenced by the presence of organic carbon. The main reactions included calcite formation, hydroxide release, and hydroxyapatite formation. Effective phosphate removal was observed, with outlet concentrations below 1 mg P-PO4/L. Approximately 30% of ammonium (NH4+) was removed in filters fed with biodegradable organic carbon, with nitrification being dependent on pH levels. Steel slag-based reactive filters proved suitable for the tertiary treatment of domestic wastewater with high alkalinity, highlighting the importance of alkalinity control. In a parallel study to Chapter 4, two reactive filters with electric arc furnace slags (column 1-S and column 2-R) were used for tertiary treatment in domestic groundwater users. Column 1-S was fed synthetic secondary wastewater containing nitrogen (N), phosphorus (P), alkalinity, total suspended solids (TSS), and biodegradable organic matter. In contrast, Column 2-R was fed real secondary wastewater with high alkalinity but no phosphorus. pH data highlighted the impact of alkalinity, reaching 9.9 in Column 1-S and 8.6 in Column 2-R. Slag demonstrated high selectivity for phosphate over carbonates, even at low phosphate levels. Anoxic-low oxic conditions were confirmed, with nitrogen removal around 24% in Column 1-S. Ammonium concentration decreased over six months, with initial nitrate decrease due to denitrification, followed by an increase. Saturation indices indicated partial hydroxyapatite precipitation and calcite formation throughout Column 1-S, while Column 2-R experienced a shift due to bicarbonate replacement. viii EDS analysis confirmed major phosphate and calcite removal in lower column sections. Pressure head measurements remained stable, likely due to effective particle settlement.