Pyrite

Aug 31, 2023

npj Clean Water volume 6, Numéro d'article : 59 (2023) Citer cet article

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La contamination des eaux souterraines par les nitrates et les microbes peut survenir dans les pays confrontés à une urbanisation intense et à un assainissement inadéquat. Lorsque les eaux souterraines constituent la principale source d’eau potable, comme c’est souvent le cas dans ces pays, la nécessité d’éliminer ces contaminants devient urgente. La combinaison de deux technologies est proposée ici, une étape biologique pour dénitrifier et une étape électrochimique pour désinfecter les eaux souterraines, visant ainsi à réduire l'apport chimique et l'empreinte du traitement des eaux souterraines. Ainsi, un réacteur à lit fluidisé à base de pyrite (P-FBR) a été construit pour dénitrifier de manière autotrophe les eaux souterraines polluées. L'effluent P-FBR a été désinfecté dans une cellule électrochimique avec du Cl2 électrogénéré. Le nitrate a été éliminé avec une efficacité de 79 % à partir d'une quantité initiale de 178 mg NO3− L−1 à un taux de dénitrification moyen de 171 mg NO3− L−1 j−1, avec un temps de rétention hydraulique (HRT) de 18 h. L'unité électrochimique a obtenu une réduction de 3,8 log des coliformes totaux avec une densité de charge de 41,7 A hm−3.

Les eaux souterraines constituent la principale source d’eau potable dans les pays à faible revenu, en particulier dans les pays subsahariens, où la part des secteurs agricole et industriel est faible, ainsi que dans des pays comme l’Irlande et le Royaume-Uni où ces secteurs sont principalement pluviales1,2. . Les principaux facteurs de détérioration de la qualité des eaux souterraines sont les mauvaises installations sanitaires, le rejet incontrôlé d’eaux usées domestiques et industrielles traitées, l’élevage de bétail avec épandage incontrôlé de fumier et les activités intenses de fertilisation. Les conditions locales peuvent intensifier la pollution des eaux souterraines, comme les aquifères vulnérables et l'intensification des conditions météorologiques extrêmes1,3,4,5.

Des concentrations élevées de nitrate (NO3−), de chlorure (Cl−), ainsi que des indicateurs microbiens tels que les coliformes fécaux et totaux (TC) suggèrent une pollution anthropique des eaux souterraines. Des concentrations de nitrate aussi élevées que 500 mg NO3− L−1 ont été rapportées dans les zones périurbaines de pays à faible revenu, aux côtés de 300 mg Cl− L−1 et 2 log CFU pour 100 mL−1 Escherichia coli (E. coli) et 4 log UFC 100 mL−1 TC4,5,6. Les concentrations varient considérablement en fonction des conditions géologiques locales et de la source de contamination. Afin de lutter contre les maladies d'origine hydrique, l'OMS a fixé un maximum de 50 mg de NO3− L−1 et de 0 CFU 100 ml−1 pour le TC dans l'eau potable7.

Les eaux souterraines sont pauvres en matière organique, c'est pourquoi les programmes de traitement conventionnels incluant la dénitrification hétérotrophique ne sont pas financièrement viables. Une option consiste à cibler la dénitrification autotrophe des eaux souterraines avec des donneurs d’électrons tels que l’hydrogène gazeux (H2), le soufre élémentaire (S0), le sulfure (HS−), le thiosulfate (S2O32−), le fer ferreux (Fe2+) ou encore la pyrite (FeS2)8, 9. Sur la base des équations stoechiométriques respectives, les capacités de dénitrification vont de 2,5 g NO3−-N g−1 e− donneur pour H2 à 0,05 et 0,1 g NO3−-N g−1 e− donneur pour le fer réduit (Fe2+ et Fe0)9, dix. La dénitrification induite par la pyrite se produit naturellement dans les aquifères11,12,13,14 et l'oxydation du FeS2 est couplée à la réduction microbienne du NO3− en azote gazeux (N2), avec un rapport stoechiométrique de 3 moles de NO3:1 mole de FeS2, accompagnée de la production de 2 moles de SO42. − 12,15. De plus, FeS2 a été utilisé dans le traitement des eaux usées à faible C/N16,17, ainsi que dans la dénitrification des eaux souterraines, principalement dans des tests en bouteilles18,19. La pyrite est un minéral omniprésent et peu coûteux qui est fréquemment trouvé comme déchet des activités minières20. De plus, lors de la dénitrification du FeS2, un pH quasi-neutre est maintenu, ce qui entraîne une minimisation des apports chimiques pour ce processus17,18.

En plus de la dénitrification, des étapes de polissage sont nécessaires pour fournir de l'eau potable ou d'irrigation, car la charge microbienne de l'effluent dénitrifié ne permettra pas une consommation directe ou une réutilisation21. Plusieurs pratiques de désinfection ont été utilisées jusqu'à présent pour polir les effluents du traitement de l'eau et l'oxydation chimique, soit avec du chlore libre, de l'ozone (O3) ou des UV, est généralement préférée pour la réutilisation de l'eau potable22. Cependant, des méthodes alternatives de désinfection sont recherchées pour rendre le processus de traitement indépendant des produits chimiques et du réseau, y compris la désinfection électrochimique, également appelée électrochloration lorsque le chlore libre est l'agent chimique produit23. Lors de l’électrochloration, les ions chlorure (Cl−) naturellement contenus dans les eaux souterraines sont oxydés en chlore (Cl2) à la surface d’une électrode, lorsqu’une source de courant constante est appliquée par une source d’alimentation externe24,25. Le Cl2 produit se mélange à l’électrolyte en vrac et subit une hydrolyse, produisant deux désinfectants puissants : l’acide hypochloreux (HOCl) et l’hypochlorite (OCl−). Le rapport des deux est déterminé par la solution pH26,27. La désinfection électrochimique a été testée pour traiter directement les eaux souterraines ou les eaux d'irrigation contaminées par des agents pathogènes28,29,30, mais également comme étape de polissage des effluents de bioréacteurs27,31. L'efficacité de la désinfection dépendra du matériau de l'anode, de la concentration en Cl− de l'électrolyte, du pH et de la teneur en matières organiques et en ammoniac de l'eau à traiter22.