Performance of a Two-Stage Ammonia Removal Technology Based on Advanced Oxidation Processes: Effects of Operating Conditions

L'air qui dégage une odeur d'ammoniac est bien plus qu'une simple nuisance désagréable ; il contribue de manière significative aux dommages environnementaux. Lorsqu'il est libéré dans l'atmosphère, principalement à la suite d'activités agricoles, ce gaz aide à former des particules fines qui dégradent la qualité de l'air, acidifient le sol et l'eau, et provoquent une surcharge de nutriments dans les écosystèmes. À mesure que les réglementations environnementales se durcissent, le défi ne consiste pas seulement à éliminer ce gaz des flux de déchets, mais à le faire sans créer de nouveaux problèmes, tels que des eaux usées coûteuses ou des coûts énergétiques élevés. Les scientifiques se tournent depuis longtemps vers les procédés d'oxydation avancée pour trouver une solution. Il s'agit de méthodes qui utilisent des réactions chimiques puissantes, souvent déclenchées par la lumière, pour décomposer les polluants. L'objectif est de transformer l'ammoniac nocif en formes d'azote oxydées stables qui peuvent potentiellement être capturées et réutilisées, transformant ainsi un déchet en une ressource.

Une équipe de chercheurs de l'Université technique d'Ostrava et de l'entreprise Dekonta a testé un système spécifique en deux étapes conçu pour répondre à ce problème. Leurs travaux se concentrent sur une technologie qui utilise d'abord la lumière ultraviolette pour traiter l'air chargé d'ammoniac, puis transfère les composés capturés dans une phase liquide où ils sont traités avec du peroxyde d'hydrogène et davantage de lumière. Les chercheurs voulaient comprendre exactement comment les conditions de fonctionnement de ce système affectent sa capacité à éliminer l'ammoniac et quels composés azotés spécifiques subsistent. Ils étaient particulièrement intéressés par la possibilité de contrôler le processus pour produire des espèces d'azote utiles et récupérables plutôt qu'un mélange de sous-produits indésirables.

L'expérience a commencé avec de l'air contenant de l'ammoniac, généré en faisant buller de l'air à travers une solution d'hydroxyde d'ammonium. Cet air est d'abord entré dans la première étape du système, un réacteur en acier inoxydable équipé de lampes à mercure à basse pression qui émettent de la lumière ultraviolette à des longueurs d'onde spécifiques. Les chercheurs ont découvert que la présence de vapeur d'eau dans cette étape était cruciale. Lorsque l'air était humidifié, l'élimination de l'ammoniac s'améliorait considérablement. Cela suggère que la vapeur d'eau aide à créer les espèces réactives nécessaires pour décomposer l'ammoniac. Même sans la lumière ultraviolette, une partie de l'ammoniac était éliminée simplement par absorption dans l'eau, mais la lumière rendait le processus beaucoup plus efficace. Cette première étape a prouvé que l'humidité contrôlée est un facteur clé pour préparer l'ammoniac à l'étape suivante.

La seconde étape de la technologie est celle où la véritable transformation s'opère. L'air, désormais porteur des produits de la première étape, passe dans un laveur humide puis à travers une série de réacteurs tubulaires. Ici, le système utilise une solution de peroxyde d'hydrogène, qui est un puissant agent oxydant, combinée à la lumière ultraviolette. Cette combinaison génère des radicaux hydroxyles, qui sont des molécules hautement réactives qui attaquent les composés dérivés de l'ammoniac dans l'eau. Les chercheurs ont constaté que la manière d'ajouter le peroxyde d'hydrogène importait énormément. L'ajouter plus fréquemment permettait de maintenir un approvisionnement constant en oxydant, rendant le processus plus efficace. Ils ont également observé que la quantité d'ammoniac entrant dans le système modifiait le résultat. Lorsque la charge initiale d'ammoniac était plus élevée, le système produisait plus d'azote oxydé, mais l'équilibre changeait. Au lieu de tout convertir en nitrate, une forme d'azote stable, le processus laissait derrière lui plus de nitrite. Cela indique qu'à des niveaux d'ammoniac plus élevés, le système peine à achever l'étape finale de la transformation du nitrite en nitrate.

L'équipe a également dû surmonter un obstacle pratique lors de ses mesures. Ils ont d'abord tenté de mesurer l'ammoniac résiduel directement dans l'eau à l'aide d'un test chimique standard, mais ils ont constaté que le peroxyde d'hydrogène présent dans la solution interférait avec les résultats, rendant les données peu fiables. Pour contourner cela, ils ont mesuré la quantité totale d'azote dans l'eau et ont suivi les quantités spécifiques de nitrite et de nitrate. En examinant le bilan de ces composés, ils ont pu déterminer avec précision quelle quantité d'ammoniac avait été convertie. Ils ont découvert que le simple fait de laisser l'eau reposer plus longtemps dans les réacteurs n'améliorait pas automatiquement les résultats. Cette découverte souligne que le mouvement physique du liquide et la disponibilité de l'agent oxydant sont tout aussi importants que le temps pendant lequel la lumière éclaire le mélange.

L'étude conclut que, bien que la technologie en deux étapes soit efficace, elle nécessite un réglage minutieux pour fonctionner de manière optimale. Les chercheurs ont constaté que l'humidification de l'air dans la première étape booste la performance, et que la stratégie d'ajout du peroxyde d'hydrogène dans la seconde étape dicte l'efficacité de la réaction. Cependant, le système a une limite : lorsqu'une trop grande quantité d'ammoniac est introduite, le processus favorise la formation de nitrite plutôt que de nitrate. Les auteurs suggèrent que les améliorations futures devraient se concentrer sur l'optimisation du flux et des conditions chimiques afin de pousser la conversion jusqu'au nitrate, garantissant ainsi que le maximum d'azote soit récupéré sous une forme stable et utile. Ce travail fournit une feuille de route claire pour perfectionner une technologie qui pourrait aider à assainir l'air tout en récupérant des ressources précieuses à partir de déchets.