Élimination du phosphore des eaux usées : le rôle du chlorure de fer (III)
Par فريق Egy Chem Hub
Le phosphore est un élément indispensable à la vie, mais son apport en quantités excessives dans les plans d'eau en perturbe l'équilibre. C'est pourquoi les stations d'épuration des eaux usées, tant municipales qu'industrielles, sont tenues de réduire la teneur en phosphore avant le rejet. La précipitation chimique à l’aide de sels de fer est l’une des méthodes les plus couramment utilisées à cette fin, et le plus connu de ces sels est le chlorure de fer (III) (connu scientifiquement sous le nom de chlorure ferrique, Iron(III) Chloride ou Ferric Chloride).
Cet article aborde le principe de fonctionnement de l’élimination du phosphore par le chlorure de fer (III), afin d’aider les opérateurs et les ingénieurs à comprendre le processus d’ajout avant les essais de flottation et à estimer le dosage. Quant aux propriétés de la substance elle-même et à sa comparaison avec l’alun, deux articles distincts leur sont consacrés sur ce site.
Pourquoi réguler le phosphore ?
L’eutrophisation est l’enrichissement de l’eau en nutriments, notamment en composés azotés et phosphorés, ce qui entraîne une croissance accélérée des algues et des plantes aquatiques, perturbant ainsi l’équilibre des organismes aquatiques et la qualité de l’eau. Les proliférations d’algues denses entraînent une diminution des ressources alimentaires et des habitats disponibles pour les organismes aquatiques. Lorsque les algues meurent et se décomposent, la teneur en oxygène dissous diminue, ce qui peut entraîner la mortalité des poissons.
C’est pourquoi la législation fixe des limites pour le rejet de phosphore. À titre d’exemple de ces limites, la directive européenne relative au traitement des eaux urbaines résiduaires (91/271/CEE) impose, pour les rejets dans les zones sensibles à la putréfaction, l’une des deux conditions suivantes ou les deux, selon la situation locale : une concentration maximale de phosphore total de 2 mg/l pour les stations desservant entre 10 000 et 100 000 équivalents-habitants et de 1 mg/litre pour celles de plus de 100 000, ou un taux de réduction d’au moins 80 %. Les limites varient d’un pays à l’autre et d’un cours d’eau à l’autre ; il convient donc de se référer à l’autorisation de rejet en vigueur sur votre site.
Comment le chlorure de fer (III) élimine-t-il le phosphore ?
L’agent actif ici est l’ion fer (III). Si l’on utilise du fer (II), celui-ci ne devient efficace qu’après avoir été oxydé en fer (III). La réaction, simplifiée, se résume ainsi : l’ion fer (III) se combine avec le phosphate (orthophosphate dissous) pour former du phosphate de fer (III) FePO₄, peu soluble, qui est ensuite séparé par précipitation ou filtration. Cette formule suppose que chaque mole de fer élimine une mole de phosphore.
Mais la réalité est plus complexe. En effet, l’ion fer (III) subit simultanément une hydrolyse, formant un précipité d’hydroxyde de fer (III), et cette hydrolyse entre en concurrence avec la formation du phosphate de fer (III). Ces flocons capturent le phosphate par adsorption et par précipitation associée. Les études divergent quant à savoir lequel des deux mécanismes prédomine dans différentes conditions, mais elles s’accordent sur le fait que le fer ajouté se répartit entre les deux réactions, et que l’obtention d’une teneur résiduelle en phosphore faible nécessite davantage de fer que ce qui est théoriquement calculé. Nous reviendrons sur ce point dans la section consacrée au rapport molaire.
Où l’ajouter ? Trois points clés
| Point d’ajout | Emplacement | Où le phosphore est-il éliminé ? | Remarques |
|---|---|---|---|
| Précipitation préalable (Pre-precipitation) | Eau brute avant la précipitation primaire | Avec les boues primaires | Élimine également une partie des matières organiques et en suspension, ce qui peut affecter le processus de dénitrification biologique |
| Précipitation simultanée ou conjointe (Simultaneous / Co-precipitation) | Bassin d'aération ou en amont de celui-ci, ou mélange avant le décanteur secondaire | Avec les boues excédentaires | Les boues chimiques se mélangent aux boues biologiques ; le fer réduit l'alcalinité du bassin et son pH |
| Précipitation postérieure (Post-precipitation) | Eaux traitées en deuxième étape | Dans un décanteur ou un filtre séparé | Nécessite un investissement supplémentaire dans des unités de séparation, et est généralement utilisé lorsque les limites de rejet sont très strictes |
Il n’y a pas de solution universelle, et certaines stations combinent plusieurs étapes. Le choix dépend de la limite requise, des unités existantes, de la sensibilité des boues activées et du mode de traitement des boues.
Rapport fer/phosphore (Fe:P)
La dose est généralement exprimée sous forme de rapport molaire entre le fer et le phosphore à éliminer :
- En théorie, un mole de fer pour un mole de phosphore (1:1), soit environ 1,8 gramme de fer par gramme de phosphore (calculé à partir des masses atomiques : Fe = 55,845 et P = 30,974).
- En pratique, le rapport molaire varie généralement entre 1 et 3 lorsque la teneur en phosphore résiduel dans les eaux secondaires est supérieure à 0,5 mg/l ; certaines références mentionnent, pour un ajout ultérieur, un rapport d’environ 1,5 à 2,5 moles par mole de phosphore.
- Plus l’objectif est bas, plus le rapport est élevé. En effet, pour obtenir une teneur en phosphore résiduel très faible, il faut des doses bien supérieures au calcul théorique, ce qui peut nécessiter une filtration ultérieure.
Exemple de calcul à titre illustratif, et non une recommandation de dosage : pour éliminer 4 mg/l de phosphore (sous forme d’orthophosphate) avec un rapport molaire de 1,5, il faut environ 10,8 mg/l de fer. Étant donné que la teneur en fer de la solution de chlorure ferrique (III) à 40 % d’Egy Chem Hub se situe entre 13 et 14 % en poids, cela équivaut à environ 77 à 83 grammes de solution par mètre cube. La dose effective reste toutefois à déterminer par un essai de dosage, car la dose optimale varie en fonction de la concentration en phosphate, du pH et de la composition de l’eau.
Pour disposer d’une base de calcul solide :
- Déterminez la forme du phosphore à éliminer : l’orthophosphate dissous ou le phosphore total, y compris la fraction particulaire.
- Utilisez une seule unité de référence pour la comparaison : kg de fer, kg de FeCl₃ anhydre ou kg de solution.
- La formule FeCl₃ correspond au composé anhydre, tandis que le produit commercial est une solution aqueuse ; on se réfère donc à sa teneur en fer indiquée dans sa fiche technique.
Alcalinité et pH
Le chlorure de fer (III) consomme l’alcalinité de l’eau lors de sa dissolution ; la valeur publiée varie entre environ 0,92 et 0,93 mg/l (en CaCO₃) pour 1 mg/l de FeCl₃ anhydre. Par calcul stœchiométrique, cela équivaut à environ 2,7 mg/l (en CaCO₃) pour 1 mg/l de fer. Dans l’exemple précédent (10,8 mg/l de fer), cela correspond à une consommation d’environ 29 mg/l d’alcalinité, chiffre qui constitue une estimation approximative.
Importance de ce point dans la station :
- En cas d’ajout simultané, le pH du bassin biologique peut baisser à un niveau insupportable pour les micro-organismes ; c’est pourquoi certaines études en laboratoire ont été menées avec l’ajout de bicarbonate de sodium pour compenser l’alcalinité.
- La faible alcalinité de l’eau brute nécessite d’évaluer le coût de sa compensation (chaux, soude ou bicarbonate) dans le cadre du coût total, et non pas uniquement le prix de la solution.
- Le pH est surveillé immédiatement après le point d’ajout et dans le bassin biologique, et on détermine dans le réservoir si une compensation est nécessaire.
Effet de l’ajout sur les boues
Toute précipitation chimique du phosphore augmente la quantité de boues. Le fer ajouté se transforme en hydroxyde et en phosphate insolubles qui s’accumulent dans les boues. Pour estimer la limite supérieure théorique : chaque milligramme de fer donne, dans le cas extrême, environ 1,9 mg d’hydroxyde de fer (III) (calculé à sec), masse qui s’ajoute aux boues produites avant prise en compte de l’eau qui y est liée.
La littérature indique qu’une surdosage par rapport aux besoins augmente à la fois le coût et la quantité de boues. Quant à l’effet du fer sur la déshydratabilité des boues, la littérature disponible ne s’accorde pas sur une règle générale. Cet effet doit donc être mesuré sur les boues de la station elle-même avant de déterminer le point d’ajout.
Brève comparaison avec l’élimination biologique
L’élimination biologique renforcée du phosphore (EBPR) repose sur des micro-organismes dans lesquels s’accumulent les composés phosphatés, et dont l’environnement alterne entre des conditions anaérobies et aérobies. Dans la zone anaérobie, elle a besoin d’une source de carbone facilement assimilable, telle que les acides gras volatils, et d’autres micro-organismes lui font concurrence pour ce carbone. Son rendement est donc influencé par la composition des eaux usées et par les conditions de fonctionnement.
Quant à la précipitation chimique, elle se caractérise par sa rapidité d’exécution et ne nécessite aucune modification du processus biologique ; l’opérateur contrôle le résultat en ajustant le dosage. En contrepartie, la station engage des dépenses constantes en produits chimiques et produit davantage de boues. C’est pourquoi de nombreuses stations combinent les deux méthodes : une élimination biologique d’une grande partie du phosphore, suivie d’une étape de précision ou de renforcement par la précipitation chimique pour atteindre la limite requise. Le choix entre ces deux options dépend des coûts d’investissement et d’exploitation, ainsi que des conditions propres à chaque station.
Remarques opérationnelles
- Le test de dosage sur l’eau réelle est essentiel pour déterminer la dose optimale et le point d’injection ; il doit être répété lorsque la composition de l’eau change.
- Mélange rapide au point d’injection : des études en laboratoire montrent que le fer ajouté directement à une eau contenant du phosphate est plus efficace pour l’éliminer que l’hydroxyde de fer (III) préparé au préalable ; c’est pourquoi le point d’injection est conçu de manière à ce que la solution se disperse rapidement dans l’eau.
- Éviter le surdosage : cela augmente les coûts et la production de boues, et nécessite de vérifier les limites de fer résiduel dans les eaux usées si celles-ci sont spécifiées dans l’autorisation.
- Matériaux et manipulation : la solution est acide et très corrosive pour les métaux. Il convient d’utiliser des matériaux non métalliques ou des revêtements adaptés pour les réservoirs, les pompes et les conduites d’injection. La fiche de données de sécurité stipule qu’il ne faut pas stocker le produit avec des métaux, des alcalins ou des agents réducteurs, et signale le risque de dégagement de grandes quantités d’hydrogène au contact de métaux tels que l’aluminium et le zinc.
- Sécurité : La version 2 de la fiche de données de sécurité (FDS) de la solution de chlorure de fer (III) à 40 % d’Egy Chem Hub indique que le produit peut être corrosif pour les métaux (H290), nocif en cas d’ingestion (H302), provoquant de graves brûlures cutanées et des lésions oculaires (H314), et provoquant des lésions oculaires graves (H318). Il est nécessaire de porter des gants, une protection pour les yeux et le visage ainsi que des vêtements de protection, et de consulter la fiche de données de sécurité avant toute manipulation.
Solution de chlorure ferrique (III) à 40 % d’Egy Chem Hub
Egy Chem Hub fournit une solution de chlorure ferrique (III) à 40 % (Ferric Chloride Solution 40 %, nom commercial ECH-FR4014), une solution aqueuse de couleur brun-rouge utilisée comme coagulant dans le traitement de l’eau potable, des eaux de process et des eaux usées. La fiche technique (TDS) indique les caractéristiques suivantes :
- Concentration allant jusqu’à 40 % (±2 %) en poids, soit 400 g/kg, ce qui équivaut à environ 568 g/litre pour une densité relative de 1,42.
- Teneur en fer de 13 à 14 %, en fer bivalent jusqu’à 1 % et en acidité libre jusqu’à 1 %.
- Densité de 1,42 (±0,02) à 20 °C ; se dissout complètement dans l’eau.
- La dose optimale est déterminée par un test de dosage ; le produit peut être injecté sous forme concentrée ou après dilution.
Il est conditionné dans des fûts en PEHD d'une capacité de 280 kg et dans des conteneurs IBC d'une capacité de 1 400 kg, et est disponible en vrac. Origine : Égypte ; durée de conservation : 12 mois ; commande minimale : un fût (280 kg). Le produit est fabriqué dans une usine certifiée NSF selon la norme NSF/ANSI/CAN 60 pour des applications de floculation et de décantation dans le traitement de l’eau potable. La dose maximale d’utilisation enregistrée dans la liste NSF est de 100 mg/l, calculée sur la base du FeCl₃ (selon les données d’Egy Chem Hub) pour les applications liées à l’eau potable ; elle ne sert pas à déterminer les doses de rejet. Les fiches TDS et SDS sont disponibles sur demande.
Pour nous contacter
Pour demander un devis ou les spécifications techniques de la solution de chlorure de fer (III) à 40 %, contactez l’équipe d’Egy Chem Hub et joignez les données dont vous disposez concernant votre eau : la teneur en phosphore et sa forme, l’alcalinité, le point d’ajout recommandé et la limite de rejet requise.
