Le phosphore dans l’eau et ses traitements

Présence du phosphore sous forme de phosphates 

Dans le milieu naturel, le phosphore (P) est généralement présent sous forme de phosphates (PO4), on distingue :

– les ortho phosphates qui sont des sels minéraux de l’acide phosphorique: cette forme est parfois nommée phosphore réactif.

– les poly phosphates ou phosphates minéraux (phosphore hydrolysable) 

– les phosphates organiques:  phosphates de la matière organique vivante ou morte (bactéries, végétaux, animaux…).

 Les formes organiques et minérales subissent de nombreuses transformations biologiques et/ou chimiques. Les bactéries utilisent le phosphore sous ces deux formes pour excréter du phosphore organique.

 Dans l’eau, les phosphates inorganiques (ortho phosphates et poly phosphates), et les phosphates organiques peuvent être dissous et/ou particulaires (piégées dans les sédiments).

 La concentration de phosphates (orthophosphates) d’une eau se mesure en mg/L de PO4.

Le phosphore total (PT) est parfois un autre paramètre utilisé: c’est la somme du P organique et du P minéral, il s’exprime en mg/l de PT.

La mesure du phosphate organique s’obtient par différence entre le phosphore total et les orthophosphates.

Source du phosphore dans l’eau

 Le phosphore est naturellement présent dans le milieu aquatique à de très faibles concentrations ( 0,02 à 0,025 mg/ litre). Il provient  du lessivage de certaines roches, de l’érosion des sols, ainsi que des excréments des animaux. 

Dans les bassins, sa principale source est l’activité digestive des poissons et les restes de nourriture.

Certains distributeurs d’eau potable traitent l’eau de distribution en y versant des phosphates: cette opération permet de réduire la corrosion de certains tuyaux.

 Le phosphore est un élément minéral essentiel pour les végétaux  (il est présent entre autres dans l’ADN), il permet leur croissance.

Dans les bassins de traitement d’eau

Le phosphore est souvent l’élément déterminant qui peut interrompre la prolifération d’algues. 

Pour se développer, les algues ont besoin de carbone, d’azote et de phosphore selon un ratio C:N:P précis qui est de 106:16:1 (les nombres indiquent le nombres d’atomes des 3 constituants). 

Même si le bassin est fortement pollué par des nitrates, les algues ne poussent pas si le taux de phosphore est contrôlé et limité.

 Le phosphore (P) est donc le facteur limitant la pousse des algues: il est néanmoins l’élément indispensable au développement de tous les organismes vivants.

Dans votre bassin, qui est un milieu fermé, sans réaliser de changements d’eau de façon régulière, il peut apparaitre des algues suite à une concentration trop importante de phosphates.

Il faut donc s’efforcer de maintenir une concentration maximale de phosphates de 0,03 mg/litre. (ortho-phosphates PO4).

Dans le cas d’un bassin planté, une concentration de 0,02 mg/l est bien suffisante pour l’apport de nutriments aux plantes aquatiques tout en limitant la croissance des algues.

Pour réduire un taux excessif, il existe plusieurs solutions: 

 -  les changements d’eau: 5% du volume d’eau par semaine est un bon compromis.

–  les « résines anti-phosphates » : des oxydes de métaux divers que l’on place dans le filtre biologique ou un filtre dédié réservé à cet usage. 

– différents processus biologiques sont également réalisables, cependant la mise en œuvre est très compliquée et reste aléatoire et non-contrôlable.

-  la densité d’empoissonnement: rester raisonnable en élevant 2 kg / m3 maximum.

Les algues ou les végétaux morts qui se décomposent dans le bassin larguent les phosphates dans l’eau ! Donc entretien du bassin primordial !

S’il est impossible de contrôler les phosphates par les procédés ci-dessus, utiliser un anti-algues convenables pour éradiquer la croissance des algues.

Traitement du phosphore dans l’eau – Déphosphatation

Dans les eaux usées municipales les trois formes de phosphore

Orthophosphate (PO4)
Polyphosphate
Phosphore organique.
existent. La forme du phosphore change lorsqu’il évolue dans le systèmes de traitement des eaux usées. Dans l’effluent d’un traitement secondaire, il est presqu’entièrement sous forme d’orthophosphate.

La précipitation est le principal moyen utilisé pour la déphosphatation.

Coagulants  et    pH optimum doses théoriques

Alun (Al2SO4)   pH 5,5 – 6,5  (75-250 mg/L)
Chlorure ferrique (FeCl3)  pH: 4,5 – 5 (45-90 mg/L)
Sulfate ferrique (Fe2(SO4)3. xH2O  pH: 4,5 – 5
Sulfate ferreux FeSO4    pH 7 – 8
Chaux : pH 9-10 (200 – 400 mg/L)

La coagulation suivie d’une décantation n’est pas toujours suffisante pour atteindre les objectifs de rejets du phosphore qui peuvent être aussi bas que 0,05 mg/L. Au Québec, la position ministériel impose des objectifs de rejets variables selon l’émissaire dans lequel est rejeté l’effluent municipal après traitement. Ces objectifs varient entre 1 et 0,3 mg/L.

Sous toute réserve (car ces valeurs dépendant de la concentration à l’affluent) on peut faire les estimations suivantes :

• La coagulation décantation peut permettre d’atteindre 1 mg/L
• Coagulation filtration peut permettre d’atteindre 0,3 mg/L

Déphosphatation biologique

La déphosphoration biologique est fondée sur l’alternance des phases d’anaérobie et d’aération. Le principe de la déphosphatation biologique = suraccumulation de phosphore dans la biomasse.

-La boue relargue des phosphates en aérobiose en présence de DCO :
les bactéries déphosphatantes, synthétisent un produit de réserve, les poly-β-alcanoates (PHA), à partir du substrat facilement biodégradable des eaux usées et de l’énergie libérée par l’hydrolyse intracellulaire de polyphosphates.

En phase aération les PHA et la matière organique contenus dans les eaux usées sont oxydés par les bactéries. en effet, les acinétobacter respirent et consomment le PHB puisque l’acétate fait défaut. Cette consommation de PHB implique la synthèse de polyphosphate avec une vitesse
plus élevée que la consommation. La respiration (de l’oxygène) produit l’énergie nécessaire aux bactéries qui régénèrent leurs stocks de polyphosphates et croissent.

En phase anaérobie, des bactéries dites acétogènes utilisent la matière organique pour fabriquer de l’acétate ( mécanisme fermentatif).

Pendant cette phase, une autre variété de bactéries(acinétobacter) utilisent spécifiquement  l’acétate pour stocker une substance de réserve : le polyhydroxybutyrate ( PHB). Pour réaliser cette réaction d’anabolisme, il faut de l’énergie ; celle-ci est prise par hydrolyse de
polyphosphate qui se relargue dans le milieu extérieur.

Réabsorption en aération est plus importante que relarguage en anaérobiose.

Des alternances entre phases aérobies et anaérobies amènent des taux en phosphore intracellulaire jusqu’à 10%

Facteurs agissant sur l’élimination biologique du phosphore
– Le rapport DCO/P > 30
-Les nitrates  sont néfastes. Une dénitrification poussée est indispensable
-Le carbone organique : nécessaire. une injection d’acétate est utilisées pour optimiser la déphosphatation
– Age des boues = faible.  Pour pallier ce phénomène, les techniques physico-chimiques viennent compléter le procédé biologique