Un nouveau système de traitement des eaux usées élimine jusqu’à 70 % de l’azote qui serait autrement rejeté dans la nature

Un nouveau système de traitement des eaux usées élimine jusqu'à 70 % de l'azote qui serait autrement rejeté dans la nature

Image au microscope de la mousse de polyuréthane, prise juste après la formation du biofilm bactérien ; la moitié supérieure et plus sombre de cet instantané est riche en oxygène, se distinguant clairement du fond plus clair, qui manque d’oxygène. Crédit : Bruno García Silva

Selon un article paru dans Technologie de l’environnement. Les chercheurs qui ont mené l’étude ont développé un modèle mathématique pour analyser et prédire le mécanisme d’élimination de l’azote. Le biofilm comprenait des bactéries qui convertissaient les composés azotés en azote gazeux, qui est inoffensif pour l’environnement.

L’étude a été dirigée par Bruno Garcia Silva lors de ses recherches doctorales en génie hydraulique et assainissement à l’Université de São Paulo (USP) au Brésil, avec Eugenio Foresti comme directeur de thèse. Foresti est professeur à la São Carlos School of Engineering (EESC-USP). L’étude a été financée par la FAPESP. Des chercheurs de l’Université fédérale de São Carlos (UFSCar) et de l’Institut de technologie de Mauá (IMT) ont collaboré.

“L’élimination de l’azote n’est encore réalisée que par quelques stations d’épuration au Brésil, alors qu’elle est régulièrement réalisée en Europe et aux États-Unis”, a déclaré Garcia à Agência FAPESP. “L’idée est de s’adapter [the necessary infrastructure] à notre réalité. La méthode habituelle ici est basée sur des réacteurs anaérobies, qui produisent des effluents avec de faibles niveaux de matière organique, ce qui rend difficile l’élimination de l’azote.”

L’élimination des composés azotés (nitrites, nitrates et ammoniac, entre autres) des eaux usées domestiques et des eaux usées industrielles est essentielle car ils contaminent les eaux de surface (lacs, réservoirs et cours d’eau) ainsi que les aquifères et autres eaux souterraines, favorisant la croissance de bactéries, les algues et les plantes deviennent incontrôlables dans un processus connu sous le nom d’eutrophisation.

De plus, la consommation d’eau contaminée par le nitrate peut entraîner des maladies telles que la méthémoglobinémie infantile (syndrome du bébé bleu), qui provoque des maux de tête, des étourdissements, de la fatigue, de la léthargie, des essoufflements et des altérations neurologiques telles que des convulsions et le coma dans les cas graves.

“Lorsque les efflorescences algales prolifèrent, comme on le voit dans des réservoirs comme Billings (l’une des principales sources d’eau de São Paulo), par exemple, le manque d’oxygène dans l’eau entraîne la mort des poissons et la perte de l’approvisionnement en eau ainsi que des zones de loisirs. Il est très difficile d’éliminer les algues des réservoirs », a déclaré Foresti, qui dirige le groupe.

Différenciateurs

L’un des principaux différenciateurs de ce nouveau modèle de réacteur est le biofilm formé par un processus biologique dans lequel les bactéries créent un film sur la mousse de polyuréthane. Une autre est la configuration de l’équipement pour permettre ce que les chercheurs appellent la contre-diffusion, où l’oxygène est introduit du côté opposé aux contaminants.

“L’oxygène est transporté dans la mousse car cela garantit qu’il ne reste que là où il est nécessaire pour que la réaction se produise”, a expliqué Garcia. “Nous ne voulons pas que l’oxygène entre en contact avec la matière organique tout le temps. Si c’était le cas, les bactéries utiliseraient tout l’oxygène pour le décomposer et il ne resterait plus rien pour consommer les nitrites et les nitrates. Nous insérons donc l’oxygène de l’autre côté du biofilm. L’objectif est que la matière organique qui atteint le biofilm de l’autre côté soit oxydée non seulement par l’oxygène mais aussi par les nitrites et les nitrates.

Lorsque l’oxygène n’entre pas dans le réacteur, l’ammoniac reste inchangé. Cependant, lorsque l’ammoniac pénètre dans le site du réacteur avec un apport d’oxygène, il est converti en nitrite et en nitrate. « La seule issue se fait par le biofilm, et les composés franchissent cette barrière par diffusion en sens inverse de la matière organique. Leur collision avec la matière organique à contre-courant crée des conditions optimales pour l’élimination des nitrites et des nitrates car il n’y a plus d’oxygène et il y a assez de matière organique pour la dénitrification », a déclaré Garcia.

Foresti a expliqué qu’au Brésil, les réacteurs anaérobies (qui décomposent la matière organique à l’aide de bactéries qui n’ont pas besoin d’oxygène pour survivre) sont de plus en plus utilisés par les entreprises municipales de traitement des eaux usées en raison du climat prédominant, plus chaud que celui de l’hémisphère nord. Les bactéries décomposent la matière organique plus rapidement par temps chaud. En Europe et aux États-Unis, où les températures moyennes sont plus basses, le processus est différent. La matière organique présente dans la phase liquide après élimination des boues est oxydée en aérobiose (par l’oxygène).

Au Brésil, cependant, les composés azotés ne sont pas complètement éliminés pour des raisons de coût et sont directement rejetés dans la nature. Le nouveau type de réacteur développé par les chercheurs est conçu pour ajouter une deuxième étape, plus facile et moins chère, au traitement des eaux usées, pour le développement avec des technologies et des partenariats d’avenir.

Bourse de recherche aux États-Unis

Des chercheurs qui travaillent au laboratoire de Robert Nerenberg, professeur à l’Université de Notre Dame aux États-Unis, ont collaboré avec Garcia, qui était là en tant que chercheur invité en 2019-2020 avec le soutien de la FAPESP.

“La différence entre mon projet et le leur est qu’au lieu de mousse de polyuréthane, ils utilisent une membrane semi-perméable, qui ressemble à une paille pleine d’air. Lorsque ce capillaire entre en contact avec l’eau, il laisse passer l’oxygène mais pas l’eau, de sorte que le biofilm adhère à la surface et se développe dessus. En d’autres termes, l’oxygène est fourni aux bactéries à travers les parois de ce tube mince. L’oxygène sort, et l’eau fournit de l’ammoniac et de la matière organique. C’est le même système que la contre-diffusion, sauf que le matériau que nous utilisons est plus simple et moins cher », a déclaré Garcia.

“Les bactéries se développent en surface pour former un biofilm, mais ce n’est pas un filtre à proprement parler car il n’offre pas de résistance mécanique au passage des particules. En fait, le réacteur sert de support à la croissance des bactéries et consomment de la matière organique soluble et des composés azotés.”

Prochaines étapes

Selon Foresti, la nouvelle configuration du réacteur inspire de nouvelles recherches au groupe. Dans le cadre d’un programme de coopération entre la São Paulo State Basic Sanitation Corporation (SABESP) et la FAPESP, les chercheurs prévoient de tester le nouveau modèle avec de vraies eaux usées qui ont traversé un réacteur aérobie dans la station d’épuration exploitée par SAAE, le service municipal d’assainissement de São Carlos. Des chercheurs de l’UFSCar et de l’IMT font également partie du programme et développeront d’autres systèmes à tester.

“La recherche de Bruno est la première à utiliser la contre-diffusion de cette manière ici au Brésil”, a déclaré Foresti. “C’est une preuve de concept pour les eaux usées synthétiques. L’efficacité trouvée dans cette configuration de réacteur était largement supérieure à celle observée dans les recherches précédentes, mais nous devons encore évaluer plusieurs facteurs.”

La nouvelle configuration a été testée en laboratoire. L’efficacité sera mesurée dans d’autres projets, car il n’est pas possible de prédire comment l’équipement se comportera lors du traitement de grands volumes d’effluents, et le système doit être testé avec des eaux usées domestiques et industrielles réelles. Jusqu’à présent, il n’a été testé que sur des échantillons de déchets synthétiques préparés par les chercheurs eux-mêmes.

“Nous devrons peut-être améliorer la conception et la géométrie”, a déclaré Garcia. “Comment optimiser la conception pour obtenir la plus grande surface optimale par volume de réacteur afin de baisser le coût ? L’étude donne une base, un socle sur lequel on peut continuer à réfléchir au procédé et à l’outil mathématique.”


Traitement des eaux usées à un tiers de la taille et du coût


Plus d’information:
Bruno Garcia Silva et al, Structure unique du biofilm et mécanismes de transfert de masse dans le réacteur à biofilm aéré par mousse (FABR), Technologie de l’environnement (2022). DOI : 10.1080/09593330.2022.2058422

Citation: Un nouveau système de traitement des eaux usées élimine jusqu’à 70 % de l’azote qui serait autrement rejeté dans la nature (27 juin 2022) récupéré le 27 juin 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-06-sewage-treatment-nitrogen- nature-jetée.html

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