Vers la station de récupération des ressources de l’eau : quels métaux récupérer et quelles performances attendre du procédé de sorption–extraction par élution ?

Wastewater resource recovery facility: What metals can be recovered from urban wastewater and what performance can be reached with the sorption-elution process?

M. BROSSAT, J.-M. CHOUBERT, D. BLANC

Cette étude explore le potentiel des eaux usées domestiques comme source alternative de métaux, élargissant le champ des recherches traditionnellement centrées sur les effluents industriels. Elle détermine d’abord les métaux intéressants à récupérer en combinant différents critères : concentration, impact environnemental, importance stratégique, potentiel financier. Elle évalue ensuite l’efficacité de récupération de ces métaux à l’aide de trois matériaux réactifs (charbon actif, hydroxyde ferrique, résine échangeuse de cation faible) couplés à une étape de régénération par élution (acide, base, sel). Des expérimentations au laboratoire et en réacteur pilote alimenté en continu ont étudié les effets du temps de contact sur la rétention des éléments d’intérêt, et du pH sur l’efficacité de l’élution, en vue de proposer un itinéraire technologique de récupération sous forme solide ou liquide. Nous avons démontré que les trois matériaux capturaient différemment les éléments métalliques : le charbon actif retenant 20 à 49 % de Zn, Cu, Co et Ni après 5 h de contact ; l’hydroxyde ferrique retenant 19 à 37 % de P, Ni, Co et As après 5 h ; la résine retenant 30 à 41 % de Ca, Sr, Zn, Ni et Co après 1 h. Une rétention accrue a été observée à 22 h pour tous les matériaux, à l’exception de la résine. L’hydroxyde de fer s’est enrichi en phosphore (x8 rapport à la croûte terrestre), tandis que les trois matériaux se sont modérément enrichis en zinc et calcium (+10 à +30 %). L’élution à l’acide chlorhydrique a généré des liquides plus concentrés que les eaux usées traitées initiales, avec une sur-concentration de 1,4 à 1,7 pour le zinc et le cobalt extrait du charbon actif, et de 1,7 à 3 pour le calcium et le magnésium extrait de la résine échangeuse d’ion. L’efficacité d’élution a atteint 80 % pour le zinc en présence de soude, mais est restée faible avec NaCl.

This study explores the potential of using domestic wastewater as an alternative source of metals, broadening the scope of research traditionally focused on industrial wastewater. First, it determines the metals that are worth recovering, by combining various criteria such as concentration, environmental impact, strategic and economic importance, and financial potential. The study then assesses the efficiency of recovering these metals using 3 reactive materials (activated carbon, ferric hydroxide, weak cation exchange resin), coupled with a regeneration step involving elution with acid, base or salt. Lab-scale and pilot-scale experiments applying continuous feed were conducted to study the influence of contact time on the removal of metals, and the influence of pH on the efficiency of the elution. The results led to recommendations for developing a technological route for recovering in solid or liquid forms. We demonstrated that the 3 materials captured differently the elements: 20-49% of Zn, Cu, Co and Ni for activated carbon at a contact time of 5 hours; 19-37% of P, Ni, Co and As for ferric hydroxide with a contact time of 5 hours; and 30-41% of Ca, Sr, Zn, Ni and Co for ion-exchange resin at a contact time of 1 hour. With the exception of the resin, the elements were better retained at a contact time of 22 hours rather than after 1 hour. Iron hydroxide became enriched in phosphorus (8 times the ratio found in the Earth’s crust), while the resin, iron hydroxide and activated carbon became moderately enriched in zinc and calcium (by 10-30%). Elution with hydrochloric acid has generated liquids that were more concentrated than the initial treated effluents, by a factor of 1.4 to 1.7 for zinc and cobalt from activated carbon, and by a factor of 1.7 to 3 for calcium and magnesium from ion exchange resin. Elution efficiency has reached 80% for zinc in the presence of soda, but was low with NaCl.

Partager sur

Ajouter à ma liste de lecture Retirer de ma liste de lecture

Vers la station de récupération des ressources de l’eau : quels métaux récupérer et quelles performances attendre du procédé de sorption–extraction par élution ? — Inrae

Connues pour leur composition en matière organique, azote et phosphore, les eaux usées domestiques contiennent une quarantaine d’espèces métalliques [YOSHIDA et al., 2015] provenant d’échanges avec les canalisations, toitures, surfaces de ruissellement recevant des dépôts atmosphériques, ainsi que de rejets de produits commerciaux phytosanitaires, industriels ou alimentaires [SORME et LAGERKVIST, 2002 ; RULE et al., 2006]. Les stations d’épuration domestiques ne disposent actuellement pas d’étape dédiée à l’élimination des métaux. Cependant, l’affinité de nombreux métaux avec les matières en suspension et la matière organique dissoute (ex. fer, aluminium, mercure, cuivre) induit leur piégeage dans les boues, et donc leur élimination de la phase aqueuse [OLIVER et COSGROVE 1974 ; NIEBOER et RICHARDSON, 1980 ; KARVELAS et al., 2003]. D’autres espèces métalliques (ex. lithium, bore, rubidium, calcium, magnésium, sodium), peu liées aux matières en suspension, sont présentes sous forme de sels très solubles, traversant les stations d’épuration sans être impactées. Elles contribuent pour certaines à l’impact des rejets urbains sur le milieu naturel [BUZIER et al., 2006 ; YOSHIDA et al., 2015]. Malgré une certaine affinité avec la matière organique, d’autres éléments (ex. nickel, manganèse, antimoine), sont retrouvés à plus de 50 % dans les rejets de stations d’épuration [YOSHIDA et al., 2015]. En somme, plus de 90 % du flux de métaux entrant dans une station d’épuration est retrouvé dans les eaux traitées : des éléments majeurs, de concentration > 1 mg/L (Na, K, Mg, Ca, Si, P), des éléments mineurs, de concentrations comprises entre 1 mg/L et 1 μg/L (Li, Rb, Sr, Ba, Al, B, Sb, Ti, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Mo), et ceux à l’état de traces, de concentration < 1 μg/L (Cs, Be, Ga, Sn, Pb, Bi, Ge, As, V, Cr, Co, Zr, Nb, Rh, Pd, Ag, Cd, Hf, W, Pt, Hg) [VRIENS et al., 2017]. Dans cette étude, nous avons inclus le phosphore qui n’est pas stricto sensu un métal (au même titre que l’arsenic et le bore) du fait de son importance réglementaire actuelle (nouvelle Directive Eaux Résiduaires) et de l’enjeu en termes de bioéconomie.

Dernier lieu de collecte possible avant dissémination vers l’océan, la station d’épuration pourrait récupérer certaines espèces métalliques, jouant localement un rôle de mine urbaine comme l’a documenté l’étude d’opportunité menée en 2021 [VARENNES et al., 2021]. Cette circularité, attendue de la station de demain – station de récupération des ressources de l’eau ou StaRRE –, est une alternative aux extractions de matière minérale dans le sous-sol. Cette stratégie de gestion pourrait répondre aux enjeux d’atténuation des dépassements de limites planétaires induits par l’accrois – sement annuel de la demande en métaux (+5 % à +18 %) dans le contexte de transition énergétique [VIDAL et al., 2013].

Mots clés : Adsorption, Eaux usées, Echange ionique, Métaux, Station de récupération des ressources de l’eau