Surface characterization of natural apatites used to remove phosphates from wastewater in constructed wetlands: which techniques to use?
Caractérisation de surface d'apatites naturelles utilisées pour éliminer les phosphates des eaux usées sur filtres humides plantés artificiels : quelles techniques utiliser ?
Résumé
Phosphorus is an essential element for all life forms. However, an excessive concentration of phosphates is the most common cause of water bodies eutrophication as phosphorous is usually the limiting nutrient involved in plant growth. In constructed wetlands (CWs) treating domestic wastewaters, good treatment performances are obtained on main pollutants except with phosphates. In order to improve phosphate removal by CWs, different experiments were performed considering a series of reactive substrates. Among those, natural apatitic materials showed a high sorption capacity for phosphates. This paper presents the various analytical techniques that were used to characterize five natural apatitic materials which were tested in experiments performed at different scales (laboratory, pilot plant and full-scale experiments). These apatitic materials have been studied using X-ray powder diffraction, Raman spectroscopy and scanning electron microscopy. In addition, chemical compositions were obtained from X-ray fluorescence and ICP-MS analyses. The results suggest that the studied apatitic materials present a wide spectrum of physical, mineralogical and chemical characteristics. This variety is related to the presence of impurities in the natural materials (5–60% w/w). Therefore, the characterization of the natural apatitic materials available is necessary in order to select the ones that would lead to the best performances in terms of phosphate removal. Moreover, the observation of the surface of the grains before and after the percolation of phosphate containing solutions showed that the primary apatitic peloids were progressively covered with a carbonate hydroxyapatite precipitate layer formed with the phosphates removed from the treated solution.
Le phosphore est un élément essentiel pour toutes les formes de vie. Cependant, des concentrations excessives en phosphates constituent la cause la plus commune de l’eutrophisation des masses d’eau dans la mesure où le phosphore est généralement l’élément limitant pour la croissance des végétaux. Dans les filtres plantés de roseaux traitant les eaux usées domestiques, de bonnes performances de traitement sont obtenues sur les principaux éléments polluants sauf en ce qui concerne les phosphates. Afin d’améliorer l’élimination des phosphates, des expérimentations ont été réalisées en considérant différents substrats réactifs. Parmi ceux-ci, les apatites naturelles ont montré une grande capacité de sorption des phosphates. Cet article présente les différentes techniques analytiques qui ont été utilisées pour caractériser cinq apatites naturelles qui ont été testées au cours d’expériences réalisées à différentes échelles (au laboratoire, sur pilotes et sur sites réels de traitement). Ces matériaux ont été caractérisés par diffraction de poudre aux rayons X, par spectroscopie Raman et par microscopie électronique à balayage. De plus, la composition chimique de ces matériaux a été déterminée par analyse en fluorescence X et en ICP-MS. Les résultats obtenus montrent que les apatites naturelles étudiées présentent de grandes différences dans leurs propriétés physiques, minéralogiques et chimiques. Cette variété est liée à la présence d’impuretés dans les matériaux naturels (5–60 % en poids). La caractérisation de ces matériaux est donc nécessaire afin de sélectionner ceux qui permettront d’atteindre les meilleures performances en termes d’élimination des phosphates. Par ailleurs, l’observation de la surface des grains avant et après la percolation de solutions de phosphates a montré que les péloïdes apatitiques primaires étaient progressivement recouverts d’une couche d’un précipité de carbonate hydroxyapatite formé à partir des phosphates éliminés de la solution traitée.