Recirculation des filtres réactifs pour l'enlèvement des carbonates : effets de l'augmentation du pH sur la déphosphatation dans les filtres à scories d'acier

«Cette thèse répond à la problématique du phosphore présent dans l’eau usée domestique dans les applications d’assainissement autonome. Cette thèse visait à intégrer des filtres réactifs de scories d’aciérie électrique (EAF) dans un traitement secondaire avancé afin de réduire la concentration de carbone inorganique (CI) et de phosphore (P). La première étude a évalué la recirculation comme moyen de prolonger la durée de vie de ces filtres par diminution des carbonates dans un décanteur. Deux configurations de recirculation ont été testées pour précipiter les carbonates en amont du filtre : recirculation de l’effluent vers la fosse septique (en amont du réacteur à biofilm) ou vers un décanteur avant le filtre à scories. Les deux configurations ont maintenu la concentration d’orthophosphate inférieure à 0,06 mg P/L, et la recirculation vers la fosse septique n’a pas compromis l’élimination de la MES ni de la DCO. Cependant, sans isolation de l’air ambiant, la recirculation a accru la concentration de CI à l’entrée du filtre, augmentant le risque de colmatage. Les simulations montrent qu’un filtre exposé au CO2 peut présenter une longévité de 3,0 ans et l’opération de recirculation vers un décanteurs étanché la longévité peut se prolonger à 6,0 ans. Ces résultats soulignent l’importance d’empêcher l’intrusion de CO2 pour améliorer la longévité du filtre. La deuxième étude a évalué si un décanteur isolé de l’air en amont du filtre à scories pouvait réduire le CI. Des barils de filtre en scories ont été testés avec des recirculations de 50 % et 100 % dans ce décanteur. Cependant, même avec ce décanteur scellé, la recirculation n’a pas diminué le CI. Par ailleurs, la concentration en P est passée d’environ 0,2 mg P/L sans recirculation à 0,4 mg/L (50 %) puis 1,6 mg/L (100 %). Ces résultats indiquent que la recirculation seule, même avec un décanteur isolé, est insuffisante pour réduire le CI dans l’alimentation des filtres à scories. La troisième étude a exploré la plage de pH d’alimentation optimale pour le filtre à scories, en testant des recirculations de 50 % à 125 % et l’ajout de NaOH. Le pH 9,4–10,1 a entraîné une forte libération de Ca2+ (59–63 mg/L) et des concentrations finales en P de 0,2–0,3 mg P/L. Cependant, à pH > 10,8 la libération de Ca2+ a chuté à 49–53 mg/L et la concentration a atteint 1,6 mg/L. L’alcalinisation par addition de NaOH a montré des tendances similaires : à pH 10,1 et 10,8, les niveaux de Ca et de P sont similaires à ceux trouvés sous la recirculation, et porter le pH à 12,2 a annulé l’élimination du P tout en réduisant la libération de Ca à 2,5 mg/L. Les simulations suggèrent qu’un pH cible de 8,6 pour l’effluent du décanteur (28 mg C/L, 2,4 mg P/L) porterait a longévité du filtre à environ 2,6 ans.»

Abstract

«This project aimed to integrate electric-arc furnace (EAF) steel-slag reactive filters into advanced secondary treatment to reduce inorganic carbon (IC) and phosphorus (P) concentrations. The first study assessed recirculation as a means of prolonging filter life by lowering carbonate levels in a settling tank. Two recirculation configurations were tested for carbonate precipitation upstream of the filter: recirculation to a septic tank (upstream of the biofilm reactor) or to a settling tank located just before the slag filter. Both configurations kept the orthophosphate concentration below 0.06 mg P/L, and recirculation to the septic tank did not compromise TSS or COD removal. However, without isolation from ambient air, recirculation increased the IC concentration at the filter inlet, raising the risk of clogging. Simulations show that a filter exposed to CO2 may have a lifespan of 3.0 years, while the operation of recirculation to a sealed settler can extend the lifespan to 6.0 years. These results highlight the importance of preventing CO2 ingress to enhance filter lifespan. The second study evaluated whether an air-sealed settling tank upstream of the slag filter could reduce IC. Slag-filter barrels were tested with 50 % and 100 % recirculation into this sealed tank. Even with sealing, recirculation did not decrease IC. Moreover, the P concentration increased from about 0.2 mg P/L with no recirculation to 0.4 mg P/L at 50 % recirculation and 1.6 mg P/L at 100 %. These results indicate that recirculation alone, even with a sealed tank, is insufficient to reduce IC in the slag-filter influent. The third study explored the optimal influent pH window for the slag filter, testing recirculation rates of 50 % to 125 % and NaOH addition. At pH 9.4–10.1, strong Ca²⁺ release (59–63 mg/L) was observed, and final P concentrations of 0.2–0.3 mg P/L were achieved. However, at pH > 10.8, Ca2+ release fell to 49–53 mg/L and the P concentration reached 1.6 mg P/L. NaOH alkalinization showed similar trends: at pH 10.1 and 10.8, Ca and P levels mirrored those under recirculation, and raising the pH to 12.2 eliminated P removal while cutting Ca release to 2.5 mg/L. Simulations suggest that targeting a pH of 8.6 for the settling-tank effluent (28 mg C/L, 2.4 mg P/L) would extend filter longevity to roughly 2.6 years.»