Plateforme pour l’eau, le gaz et la chaleur
Que diriez-vous si je vous disais que, désormais, vous travaillez pour les StaRRE? Plusieurs initiatives promeuvent cette nouvelle appellation des stations d’épuration (STEP) sur le plan international (en anglais: water resource recovery facilities – WRRF) [1]. La déclinaison s’opère par la francophonie nord-américaine en stations de récupération des ressources de l’eau (StaRRE), via le partenaire québécois de l’ARPEA, Réseau Environnement [2]. Ce nouveau modèle vise une complémentarisation des objectifs de traitement, de sensibilisation publique et de valorisation de la profession. Les StaRRE jouent un rôle central dans le cadre d’une gestion intégrée de la filière trigonale «eau – énergie – ressources» (fig. 1).
Nous venons de fêter les 100 ans de boues activées. C’est le procédé «biotech» le plus étudié et aux dimensions les plus larges. L’installation StaRRE de Vienne en Autriche, la plus grande d’Europe (4 mios EH, 22 ha, 220 mios €), traite en moyenne 600'000 m3 d’eaux usées, 200 tonnes de matières organiques, 38 tonnes d’azote et 6 tonnes de phosphore par jour [3]. L’affluent a un potentiel d’énergie chimique d’un peu moins d’1 TWh par année d’exploitation, soit quasiment l’équivalent d’une demi-centrale électrique à gaz à cycle combiné [4] si les rendements énergétiques étaient parfaits. Voyez ici son potentiel de StaRRE.
Les nouveaux principes de gestion des eaux usées visent une valorisation des ressources en sus des objectifs prioritaires de génie sanitaire et de protection de l’environnement. Une innovation responsable est nécessaire pour l’établissement d’une économie circulaire au sein de la société. D’intéressantes technologies biologiques de nouvelle génération existent à cet effet [5]. Elles sont basées sur l’ingénierie du microbiome de la station en de nouvelles formes de biomasses activées pour l’intensification de bioprocédés et le bioraffinage de ressources. Une diversité microbienne et métabolique règne au sein de ces biosystèmes ouverts à culture mixte. Le screening de nouvelles fonctionnalités microbiennes est ciblé pour des conversions biologiques innovantes, la concentration de ressources, le stockage de substrats et la production de composés plateforme et biopolymères à faible entropie et haute valeur ajoutée.
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L’intensification de bioprocédés est une première étape fondamentale pour des installations plus compactes et à hautes performances (fig. 2a). Une forte densité de biomasse permet des vitesses volumétriques accrues de conversions des matières pollutives. Sur le plan économique, il en résulte des gains substantiels en terrain, investissement, construction, et coûts opératoires.
Les technologies à biofilms sur support et boues granulaires (fig. 2a) permettent de concentrer la biomasse (jusqu’à 5 fois) pour l’intensification de bioprocédés, et d’augmenter le temps de séjour des boues (de 5 à 10 fois) pour de plus importants taux d’abattement [6]. Alors que les technologies traditionnelles à biofilms utilisent des supports pour la fixation de la biomasse pour des conversions efficaces, les granules se forment par auto-agrégation des microorganismes intrinsèques aux boues activées. Les granules permettent de supprimer les recirculations, retours des boues, et décanteurs secondaires des stations conventionnelles. L’investissement est drastiquement plus faible en terrain (~75%), les coûts de construction réduits d’environ 30%, et les coûts opératoires et de pompage minimisés d’environ 30% également. Le procédé joint la flexibilité des réacteurs batch à charge séquentielle (en anglais: sequencing batch reactor, SBR) à l’intérêt des biofilms granulaires. Les résistances au transfert de substrats au travers du biofilm permettent une nitrification et dénitrification simultanées au sein des agrégats, mais également alternées par aération intermittente sur le SBR [7]. L’élimination du phosphore est réalisée par alternance de phase d’alimentation en anaérobiose et d’aération ou d’anoxie (procédé BioP). Des technologies alternatives au procédé originel en SBR utilisent une sélection mécanique des agrégats à haute sédimentation par sélecteurs externes tels que des hydrocyclones et des cribles pouvant s’appliquer en systèmes continus.
Les technologies à boues granulaires sont en forte expansion pour le traitement des nutriments. Elles couvrent aujourd’hui une gamme de capacité de 5000 EH à 2,5 mios EH [8]. La station néerlandaise de Garmerwolde de 340'000 EH traite 50% de la charge par un système A/B (système forte charge / faible charge) et 50% par boues granulaires, ce qui lui permet de diviser le coût de traitement de l’affluent par 5. La STEP suisse alémanique de Kloten-Opfikon de 125'000 EH planifie son réaménagement par boues granulaires pour une double capacité [9]. L’utilisation de ce procédé diminue le volume utile de 40–50% de celui d’un SBR traditionnel tel que montré en essais pilotes à Sarneraatal.
L’implémentation de la technologie à boues granulaires en Suisse, pour un traitement intégral des nutriments, pose la question de la conversion des substrats particulaires à biodégradabilité lente. Ceux-ci sont abondants (env. 60% de la matière organique) du fait des systèmes de collectes raides et aérés. L’implémentation BioP sur les eaux usées du pays n’a jamais été un problème. Des essais récents ont montré que cela ne devrait pas être une limitation [10], dans le cas où la mise en oeuvre du procédé est ajustée aux principes fondamentaux de sélection et d’activation microbienne [6].
Les granules s’intègrent idéalement dans l’application de l’ordonnance fédérale pour la protection des eaux dans le cadre de l’extension des StaRRE pour le traitement des micropolluants [11]: une publication dans le Bulletin de l’ARPEA no 256/2013 présentait ce potentiel il y a quatre ans déjà [12]. De nombreuses stations doivent s’équiper pour le traitement de l’azote. Des technologies intensives telles que, notamment, les boues granulaires, les biofilms ou les systèmes hybrides (en anglais: integrated fixed film activated sludge, IFAS) [13] sont dédiés à cet effet. Les technologies à biofilms et granules dévoilent un potentiel intéressant pour une conversion sensiblement accrue de certains micropolluants, mais l’application de principes physicochimiques (voire enzymatiques) [14] reste à ce jour un prérequis.
Les nouvelles approches StaRRE visent le recouvrement de ressources et composés à haute valeur ajoutée à partir des charges organiques et de nutriments azotés et phosphorés transportés par les eaux usées. Les biotechnologies environnementales innovantes ciblent l’usage de la puissance métabolique du microbiome des boues activées pour la capture, concentration et conversion de la charge organique en composés chimiques plateforme et biopolymères. Des stratégies de gestion des ressources microbiennes sont développées à cet effet afin de sélectionner les microorganismes d’intérêt et d’activer leur métabolisme au sein des communautés microbiennes complexes des StaRRE (fig. 2b et 2c).
Sur le plan des ressources, le phosphore peut être récupéré en parallèle aux procédés à boues granulaires et autres systèmes de déphosphatation biologique (BioP). Le métabolisme BioP permet de concentrer le phosphore dans les cellules de la biomasse, par alternance de phase anaérobie / aérobie (ou anoxique). En fin de phase d’aération, la biomasse est riche en polyphosphate (PP). A saturation, il est nécessaire d’éliminer la biomasse phosphorée hors du système pour maintenir une activité biologique stable sur le système. Après plusieurs cycles SBR, la boue peut être mise en contact avec une source externe d’acides gras volatils (issus, e. g., d’une pré-fermentation des boues pour relarguer le phosphore concentré et le précipiter avec une source externe de cations. Il existe différentes alternatives pour la récupération du phosphore [15].
A terme, l’écosystème granulaire permet l’élimination et la valorisation des nutriments, ainsi que le bioraffinage d’exopolymères à haute valeur ajoutée. Les biofilms, granules, flocs, et bio-agrégats en général, sont composés tant de microorganismes que d’exopolymères (en anglais: extracellular polymeric substances, EPS). Leur structure présente une agglomération de bactéries au sein de matrices d’exopolysaccharides, protéines, et fragments d’ADN extracellulaires. Une fraction importante d’EPS peut être valorisée (jusqu’à 40% de la biomasse sèche) par sélection et granulation d’organismes accumulant le phosphore [16]. L’ingénierie de la sélection de ce type d’organismes au sein des StaRRE relève d’une stratégie multi-bénéfices. Les EPS peuvent être extraits à l’aide de techniques physicochimiques. Une technologie est en phase d’élaboration pour leur valorisation à l’échelle réelle [17]. Les extraits d’EPS présentent une propriété rhéologique similaire aux alginates. Ces biomatériaux forment des gels et films utiles pouvant servir dans des applications industrielles. Celles-ci existent dans les domaines du génie civil, des enrobages, et du papier.
Les boues granulaires sont opérationnelles depuis 40 ans pour la digestion anaérobie [18]. Des stratégies de valorisation sont développées comme alternatives à la digestion anaérobie de boues d’épuration, d’effluents agroalimentaires concentrés, et de déchets lignocellulosiques. Le but est de stopper la digestion à la formation d’acides gras volatils (ou carboxylates). C’est une digestion anaérobie sans production de biogaz [19]. On parle de plateforme carboxylates. Les carboxylates sont soustraits comme intermédiaires centraux de digestion, avant polymérisation ou élongation de chaînes par fermentation secondaire. Ces composés plateforme sont utiles à la production de bioplastiques par polymérisation en polyhydroxyalcanoates (PHA) et de biocarburants alternatifs à chaînes de 6 à 8 carbones tels que n-caproate (hexanoate, C6) et n-caprylate (octanoate, C8). Leur biosynthèse est réalisée en bioprocédés en cultures mixtes, analogues aux systèmes à boues activées et de digestion anaérobie. L’usage de granules permet l’intensification des procédés de bioraffinage, et un gain particulier sur le downstream processing par une séparation efficace de la biomasse des composés concentrés dans le surnageant.
La production de biogaz reste une solution fiable, et particulièrement intéressante lorsqu’elle est implémentée en conditions alcalines pour un enrichissement supérieur en méthane. Sa combinaison avec un procédé biocatalytique peut accroître son intérêt pour la conversion du méthane en thermoplastiques à haute performance [20]. Cette approche utilise les propriétés d’une enzyme responsable de la polymérisation des PHA dans les microorganismes des boues activées. Cette polymérase est extraite et greffée sur un support catalytique afin de polymériser les atomes carbonés de méthane en un polymère «carbone-négatif». De nombreuses entreprises font référence à l’utilisation de cette matière plastique pour l’emballage ou la production de produits finis, tels que le mobilier.
En toute circonstance, il reste à anticiper un marché spécifique pour écouler le produit valorisé [21]. C’est une condition sine qua non pour qu’une invention passe au stade d’innovation sur le marché. Très souvent cet aspect est négligé: on désire récupérer une ressource sans potentiel de marché ou dont les caractéristiques-produits ne permettent pas une connexion à un marché existant. Pour les exopolymères issus d’eaux usées, la nécessité est de cibler un marché non concurrentiel aux alginates commerciaux, tel que celui des industries du génie civil, des enrobages, et du papier. Une station de 500 000 EH présente un potentiel de production de 2000 tonnes d’exopolymères par année d’exploitation. Leur prix sur le marché est estimé à 1000–3500 € par tonne.
A l’horizon 2050, la filière «eau – énergie – ressources» atteindra sa vitesse de croisière, en sus de l’objectif prioritaire de santé publique et de protection de l’environnement. Les technologies de concentration des ressources constitueront des opérations unitaires de base sur les sites des StaRRE. Leur objectif relèvera d’une approche de biotechnologie et de chimie industrielles pour la manufacture de composés plateforme et produits semi-finis à haute valeur ajoutée. Les StaRRE seront composées d’un site industriel intégré tel qu’actuellement implémenté sur les sites chimiques. Un design hors-sol permettra une flexibilité accrue de l’installation. On parlera d’intégration industrielle (en anglais: plant integration), de production optimisée (en anglais: lean manufacturing), et de saisonnalités de production. Leur performance sera soutenue par une modélisation de site. Par analogie à la formation actuelle des opérateurs chimiciens, l’apprentissage de technologue en production environnementale constituera une formation-clé des opérateurs de StaRRE.
L’intensification de bioprocédé par l’usage de biofilms sur support (e.g., support Kaldnes K5, ca. 2 cm de diamètre) ou biofilms granulaires auto-agrégés (ca. 1–2 mm de diamètre) est essentielle pour l’augmentation de la capacité de traitement des StaRRE et l’intégration de nouvelles filières (a). Les capacités agrégatives et de conversion de la biomasse reposent sur la gestion des ressources microbiennes au sein de la diversité et complexité du microbiome de la boue activée (b). Les stratégies de bioraffinage reposent sur la concentration et conversion des ressources carbonées, azotées et phosphorées des eaux usées en composés chimiques plateforme (produits de fermentation, carboxylates, et acides gras à moyenne chaine obtenus par élongation de chaîne) et biomatériaux (biopolymères intra- ou extracellulaires à faible entropie et haute valeur ajoutée) par les microorganismes sélectionnés par les conditions de procédé (c). Légende: polyphosphates (PP), polyesters ou polyhydroxyalcanoates (PHA), protéines d'organismes unicellulaires (POU), polysaccharides et polyglucose (PG), exopolymères et exopolysaccharides (EPS), lipides et triglycérides (TG), carboxylates et acides gras volatils (AGV), acides gras à moyenne chaîne (AGMC).
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Au Département de Biotechnologie à TU Delft, Pays-Bas (fond de démarrage). Au Fonds national suisse pour la recherche scientifique (projet no. 151977). A Sjoerd Kerstens (HaskoningDHV Nederland B.V., Pays-Bas) et Claudio Lehmann (WABAG Wassertechnik AG, Suisse) pour l'échange d’informations sur les procédés à boues granulaires et de recouvrement d’exopolymères. A mes doctorant(e)s Lorena Bittencourt Guimarães (Université fédérale de Florianopolis, Brésil), Jules Rombouts et Marta Cerruti (TU Delft, Pays-Bas), et Rebeca Pallarés Vega (Wetsus – European centre of excellence for sustainable water technology, Pays-Bas), et à mes étudiant(e)s en master Nina Gubser (ETH Zürich, Suisse), Berber Stevens, Heleen Ouboter et Qingnan Lin (TU Delft, Pays-Bas), et Guillaume Crosset-Perrotin (EPFL, Suisse) pour leurs excellents travaux de recherche au sein de la filière «eau - énergie - ressources».
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