Un nouveau système de traitement de l’eau élimine l’azote et le phosphore des eaux de drainage agricole

Des scientifiques ont développé un nouveau système de traitement de l’eau en bordure de champ qui réduit la charge en nutriments excédentaires s’écoulant dans les cours d’eau à partir des systèmes de drainage agricole. Leur méthode combine un bioréacteur à copeaux de bois avec un module de traitement de l’eau en deux étapes utilisant du biochar. Un essai d’un an sur le terrain a démontré que le système réduisait à la fois les ruissellements d’azote et de phosphore des terres agricoles.

L’étude, publiée dans le Journal of Water Process Engineering, comprenait également une analyse technico-économique, révélant que le système bioréacteur-biochar pourrait devenir une alternative rentable aux pratiques actuelles en bordure de champ tout en obtenant de meilleurs résultats pour la qualité de l’eau.

Le ruissellement de nutriments depuis les champs agricoles contribue de manière persistante à la pollution de l’eau, alimentant les proliférations d’algues nuisibles et dégradant les écosystèmes d’eau douce et côtiers. Alors que les bioréacteurs à copeaux de bois sont utilisés pour réduire le ruissellement d’azote, ils ne sont pas conçus pour éliminer le phosphore, explique Wei Zheng, chercheur principal en chimie de l’environnement au Illinois Sustainable Technology Center.

« Le phosphore dissous est une préoccupation majeure dans l’eau de drainage agricole », souligne Zheng. « Comme l’azote, le phosphore favorise les proliférations d’algues dans les rivières ou les lacs, qui peuvent produire des toxines, bloquer la lumière du soleil et priver les organismes aquatiques d’oxygène. »

Le ruissellement de phosphore peut même augmenter lorsqu’un bioréacteur à copeaux de bois est installé pour la première fois, car le phosphore naturellement présent dans le bois peut s’infiltrer dans l’eau.

« Pour résoudre ce problème, nous voulions développer un nouveau système de traitement en bordure de champ capable de capturer plusieurs nutriments simultanément », explique Wei Zheng. « Nous avons donc combiné un bioréacteur à copeaux de bois avec un canal de sorption au biochar pour éliminer à la fois l’azote et le phosphore. »

Les bioréacteurs sont de grandes tranchées remplies de copeaux de bois à travers lesquels l’eau de ruissellement agricole est acheminée. Les copeaux de bois abritent des bactéries dénitrifiantes, qui consomment le carbone présent dans la biomasse ligneuse et, dans des conditions pauvres en oxygène, convertissent les nitrates en gaz azote inoffensif. La deuxième étape du système, un canal de sorption au biochar, capture le phosphore dissous par des réactions chimiques qui forment des composés solides comme le phosphate de magnésium et le phosphate de calcium, qui peuvent être réutilisés comme engrais.

Zheng et ses collègues ont produit leur biochar « sur mesure » à partir de boues de chaux, un sous-produit du traitement à la chaux dans les usines de traitement de l’eau. Ils ont mélangé la boue avec de la sciure fine et l’ont chauffée à haute température dans des conditions pauvres en oxygène. La poudre de biochar obtenue a ensuite été compressée en granulés.

« La granulation du biochar garantit que le matériau reste dans les canaux de sorption et n’est pas emporté par le débit d’eau », précise Wei Zheng.

Lors des tests dans un essai sur le terrain d’un hectare, le système bioréacteur-biochar a réduit les charges en nitrate-azote du ruissellement agricole de 58 % et diminué les charges en ammonium-azote de 72 %. Le module de sorption au biochar a réduit les concentrations de phosphore dissous de 3 à 92 % et le phosphore total de 20 à 92 %, selon les conditions saisonnières d’écoulement.

Une évaluation technico-économique a estimé que le système atteignait des coûts d’élimination unitaires de 90,30 dollars par kilogramme de nitrate-azote retenu par an et de 63,90 dollars par kilogramme de phosphore réactif dissous retiré de l’eau de drainage par an. La modélisation suggère que la mise à l’échelle du système sur un site de 10 hectares réduirait considérablement ces coûts, ont constaté les chercheurs.

La nouvelle approche pourrait également contribuer à compenser ses coûts, car le biochar usagé, chargé en phosphore, peut être réappliqué sur les champs comme engrais. De plus, l’ajout de biochar au sol peut améliorer la santé du sol, augmenter les rendements des cultures et permettre aux agriculteurs d’obtenir des crédits carbone.

Zheng et ses collègues évaluent actuellement cette pratique en bordure de champ à plus grande échelle sur une exploitation agricole commerciale.

Article : Performance, stability, and cost-effectiveness of a bioreactor-biochar (B2) system for nutrient removal from agricultural drainage – Journal : Journal of Water Process Engineering – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude

Source : Illinois U.