Le recyclage de cendres de boues

d’épuration comme engrais phosphaté

pour les cultures

E Frossard, S Nanzer, A Oberson et SB Aciksöz Özden, ETH Zurich;

L Hermann; Outotec, Finlande; L Morf et F Adam, AWEL, Zurich

2

P

Les flux annuels de P en Suisse

www.awel.zh.ch

Le canton de Zurich a décidé de récupérer tout le P

des cendres de boues d’épuration d’ici 2015 pour le

recycler dans le cadre de son initiative urban mining.

L’ETH a évalué deux procédés de recyclage du P à

partir de cendres:

l’extraction des métaux des cendres (ASHDEC),

l’extraction de P des cendres (LEACHPHOS)

en terme de forme/solubilité du P et utilisation du P

par les cultures

3

Le recyclage du P des déchets

Brochure: www.awel.zh.ch

4

Le procédé ASHDEC®

Apport de chlorure (CaCl2, MgCl2) sur les

cendres;

Porter le mélange à 1000°C pour 30

minutes;

Formation de complexes métallo-chlorés

volatils,

Evacuation des complexes avec les gaz.

Récupération des cendres traitées Laboratory scale rotary kiln for thermo-

chemical heavy metal removal

Simone Nanzer

Le procédé LEACHPHOS ® (BSH)

5

www.awel.zh.ch

6

Efficacité d’extraction des métaux par le

procédé ASHDEC®

Produit P Cd Cr Ni Cu Pb Zn

g kg-1 mg kg-1

SSA A 72 2.5 123 76 907 194 1853

SSA B 86 3.3 202 103 679 143 1683

SSA C 66 0.4 306 126 418 121 1955

SSA D 48 2.4 204 89 414 136 2127

SSA-Ca A 62 < 0.1 137 123 232 5 46

SSA-Ca B 77 < 0.1 209 122 323 3 36

SSA-Ca C 61 < 0.1 277 115 360 3 17

SSA-Ca D 42 < 0.1 185 86 19 1 205

Taux d’extraction (%) > 95 none none > 60 > 95 > 90

Valeur critique 1) 1 30 100 120 400

1) Grenzwerte für Recyclingdünger, ChemRRV Nanzer, 2012

La solubilité est analysée par des extractions aux membranes échangeuses

d’anions (AEM) ou de cations (CEM) : AEM-HCO3-, CEM-Na+ ou CEM-H+

7

Solubilité du P des produits ASHDEC ®

Cinétiques de dissolution du P de SSA-Ca en présences de membranes échangeuses d’ions

1

10

100

1 8 24

DIs

so

lve

d P

(%

of

tota

l P

)

4 Time (h)

none/none

HCO3/none

none/Na

HCO3/Na

HCO3/H

none/H pH = 3-4 pH = 5

pH = 8

pH = 7pH = 9-10

pH = 8-9

Nanzer, 2012

L’extraction de P est plus rapide pour les cendres traitées au MgCl2

8

1 8 24 72 4

none/none

HCO3/none

none/Na

HCO3/Na

HCO3/H

none/H

SSA Mg

Time (h)

pH = 3-4 pH = 5

pH = 8

pH = 7

pH = 9-10

pH = 8-9

1

10

100

DIs

so

lve

d P

(%

of

tota

l P

)

Cinétiques de dissolution du P de SSA-Ca en présences de membranes échangeuses d’ions

Solubilité du P des produits ASHDEC ®

Nanzer, 2012

Test des produits ASHDEC® en serre

Matériels:

cendres traitées au CaCl2, cendres traitées au MgCl2, P soluble eau

(KH2PO4), pas de P

sol pH 6.5 (E1min 8.2 mg P kg-1), sol pH 8.2 (E1min 13.2 mg P kg-1)

Raygrass italien

Méthode:

marquage du P disponible du sol au 33P,

« engrais » P apporté à raison de 50 mg P kg-1,

Mesures

biomasse récoltée,

P exporté par les parties aériennes,

P dérivé de l’engrais, du sol et des graines

9

Nanzer et al, 2014

10

Disponibilité du P des produits ASHDEC ®

pour le raygrass

Sol pH 6.5

Phosphore dérivé de l‘engrais:

SSA-Ca<<SSA-Mg<=TSP

0

4

8

12

16

No P SSA Ca

SSA Mg

WSP

a

b

bc

P d

erv

ied

fro

m f

ert

ilize

r, s

eed

, so

il (m

g P

po

t-1)

Pdf soil Pdf seed Pdf fertilizer

0

4

8

12

16

No P SSA Ca

SSA Mg

WSP

aa

b

P d

erv

ied

fro

m f

ert

ilize

r, s

eed

, so

il (m

g P

po

t-1) Pdf soil Pdf seed Pdf fertilizer

Sol pH 8.2

Phosphore dérivé de l‘engrais:

SSA-Ca=SSA-Mg<<TSP

Nanzer et al, 2014

Les cendres donnent les mêmes rendements que le triple super phosphate

(TSP) et le 0P;

11

Essai au champ avec les produits ASHDEC®

Blé (grain)

Pomme de terre (tubercule)

rendement P prélevé rendement P prélevé

qtx/ha kg P/ha qtx/ha kg P/ha

0P 64 (5) 20 (4) 453 (54) 17 (2)

SSA-Ca 60 (9) 22 (4) 384 (96) 16 (5)

SSA-Mg 63 (10) 19 (3) 421 (96) 17 (5)

TSP 63 (7) 19 (3) 388 (82) 15 (3)

Source de variation

Engrais ns ns ns ns

Sol pH 6.5.

Nanzer, 2012

Aucun effet engrais n’a été observé sur ces deux sites.

12

Blé (grain)

Pomme de terre (tubercule)

Rendement P prélevé Rendement P prélevé

qtx/ha kg P/ha qtx/ha kg P/ha

0P 62 (11) 16 (3) 512 (40) 24 (2)

SSA Ca 68 (5) 19 (3) 492 (64) 22 (4)

SSA Mg 58 (10) 17 (3) 525 (29) 24 (1)

TSP 62 (7) 17 (6) 549 (89) 25 (5)

Source de variation

Engrais ns ns ns ns

Sol pH 8.2.

Essai au champ avec les produits ASHDEC®

Nanzer, 2012

13

Teneur en métaux de produits obtenus

par le procédé LEACHPHOS®

Produit P Cd Cr Ni Cu Pb Zn

g kg-1 mg kg-1

LP1 12.4 1.7 25 33 32 9.2 1103

LP2A 31.2 5.3 44 54 18 3.7 1967

LP2B 34.2 5.8 31 24 749 12.1 1593

Valeur critique 1) 1 30 100 120 400

1) Grenzwerte für Recyclingdünger, ChemRRV

Nanzer et al, 2013

Test du produit LEACHPHOS® LP2B en

serre Matériels:

LP2B, P soluble dans l’eau (KH2PO4), pas de P

sol A (sableux, pH 6.5, E1min 8.4 mg P kg-1), sol B (argilo limoneux, pH 7.6 ,

E1min 3.4 mg P kg-1), sol C (limoneux (pH 7.8 , E1min 4.5 mg P kg-1)

blé, colza, luzerne, maïs, pomme de terre, raygrass italien, soja

Méthode:

marquage du P disponible du sol au 33P,

« engrais » P apporté à raison de 50 mg P kg-1,

Biomasse récoltée, P prélevé par les parties aériennes, P dérivé de

l’engrais, du sol et des graines, efficacité de l’engrais

Efficacité relative de LP2B par rapport au P soluble dans l’eau:

RPUE = 100 x (PUE+P/PUEWP)

14

Nanzer et al, 2013

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Test du produit LEACHPHOS® LP2B en

serre Plante Sol A (pH 6.5,

E1min 8.4 mg P kg-1)

Sol B (pH 7.6,

E1min 3.4 mg P kg-1)

Sol C (pH 7.8,

E1min 4.5 mg P kg-1)

Bio-

masse

P

prélevé

Effi-

cacité

Bio-

masse P prélevé

Effi-

cacité

Bio-

masse

P

prélevé

Effi-

cacité

g mg P % g mg P % g mg P %

Maïs

0P 17.6 a 20.4 a 7.3 a 14.4 a 20.6 a 33.6 a

WP 33.9 b 44.3 b 22.8 17.4 b 35.3 b 19.9 26.6 b 47.0 b 12.8

LP2B 29.4 b 40.8 b 19.4 18.1 b 39.2 b 23.6 24.1 b 46.2 b 12

Blé

0P 2.7 a 4.4 a 1.7 a 3.7 a 2.1 a 4.7

WP 3.5 b 7.3 b 8.3 b 2.9 b 4.8 b 3.2 2.6 b 5.6 2.5

LP2B 3.6 b 5.1 ab 2.2 a 2.6 b 4.9 b 3.4 2.5 b 5.6 2.6

Pomme de

terre

0P 78 56 a 54 60 a 63 60 a

WP 95 122 c 27.5 b 84 80 b 8.2 97 79 b 7.5

LP2B 111 84 b 11.5 a 94 78 b 7.3 99 77 b 6.7

31 January 2012 16 Michelle Grant

Nanzer et al, 2013

17

0

20

40

60

80

100

120

Ital. Raigras Raps Soja Luzerne Mais Weizen Kartoffel

A CBA CB A CB A CB A CB A CB A CB

RPU

E of

LP2

B (%

)

Soil Soil Soil Soil Soil Soil Soil

Efficacité relative (RPUE) du produit LEACHPHOS LP2B comparée à un engrais

soluble dans l’eau (WP) dans 3 sols et différentes cultures.

La zone grisée montre la variabilité de l’efficacité de l’engrais soluble eau observée.

Nanzer et al, 2013

traitement thermo-chimique des cendres (ASHDEC®):

La plupart des métaux lourds ont été enlevés sauf Ni/Cr.

Le cation accompagnant le Cl affecte les formes de P produites pendant le traitement

thermo-chimique et la disponibilité du P.

Les cendres traitées au MgCl2 ont un effet comparable au TSP en sol acide. Par contre ces

cendres ne sont pas des sources valables de P en sol alcalin.

traitement des cendres par extraction (LEACHPHOS®):

Les produits P gardent une concentration élevée en Cd/Zn/Pb.

LP2B a une excellente efficacité, proche de celle d’un engrais soluble eau en sol acide et

alcalin pour toutes les cultures testées.

A faire: essais au champ (agroscope); étude de la spéciation du P (ETH).

Le canton de Zurich a choisi le traitement LEACHPHOS pour le recyclage du P des

cendres.

18

Quelques conclusions

Législation:

La législation CH interdit la mise sur le marché des produits ASHDEC. Elles sont

considérées comme engrais de recyclage et soumises aux mêmes normes de métaux lourds

que les engrais organiques de recyclages. Les cendres contiennent trop de Ni.

Est-ce que la législation peut évoluer? Peut on faire inscrire les produits comme engrais

minéraux?

Mise en place du recyclage

Installation d’un mono incinérateur de boue pour le canton (prévu à Zurich) (OK)

Installation d’une usine de traitement des cendres (à décider)

Mise sur le marché: analyse économique, prix du produit, où vendre le produit,

formulation de l’engrais, granulation, distribution…

19

Quelques conclusions

20

Remerciement

• Commission pour la technologie et l’innovation (CTI)

• ASHDEC

• Amt fürAbfall, Wasser, Energie und Luft (AWEL) des Kanton Zürichs

• ETH Zurich

Aux personnel des usines d’incinération et aux agriculteurs pour leur coopération