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5 - PERSPECTIVES ET ÉVOLUTIONS

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Article de référence | Réf : IN406 v1

Du laboratoire à la station d’épuration
Piles bactériennes : de l’énergie propre avec de l’eau sale

Auteur(s) : Naoufel HADDOUR

Date de publication : 10 nov. 2021

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RÉSUMÉ

La réduction de la consommation énergétique des stations de traitement des eaux usées urbaines et industrielles est un réel enjeu pour le développement de la ville durable du futur. Cet article traite de la technologie des piles bactériennes qui pourrait aider les stations de traitement à devenir autosuffisantes en énergie. Le principe de fonctionnement et les premiers pas de développement de cette technologie émergente sont décrits. La production d’énergie électrique à partir des eaux usées et le potentiel d’exploitation des piles bactériennes dans les stations de traitement sont ensuite développés, avant de conclure sur les perspectives qu’offre cette nouvelle technologie.

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Auteur(s)

  • Naoufel HADDOUR : Maître de conférences - Laboratoire Ampère, Ecole Centrale de Lyon, Ecully, France

INTRODUCTION

Points clés

Domaine : Traitement des eaux

Degré de diffusion de la technologie : Émergence

Technologies impliquées : Piles bactériennes

Domaines d’application : Traitement de l’eau, valorisation des déchets, énergie renouvelable

Contact : [email protected]

Les usines de traitement des eaux usées consomment de grandes quantités d'énergie qui sont principalement achetées sur le réseau, ceci alors même que les eaux usées contiennent plus d’énergie sous forme chimique que nécessaire à leur propre traitement. Le potentiel énergétique des eaux usées peut être judicieusement exploité par de nouvelles technologies telles que les piles bactériennes pour réduire la consommation énergétique des stations de traitement. En effet, ces dernières peuvent assurer la conversion directe de la matière organique présente dans les eaux usées en électricité en utilisant des bactéries comme biocatalyseurs. Cette technologie innovante suscite un intérêt croissant depuis les années 2000 et présente un fort potentiel qui pourrait aider à limiter les coûts d’exploitation des stations d’épuration et même conduire à des stations au bilan énergétique positif.

Cet article présente la technologie des piles bactériennes appliquée au traitement des eaux usées dans les stations d’épuration. L’article aborde les principes théoriques et les pratiques de cette technologie et compare ses performances à des technologies concurrentes. La méthodologie à suivre, dans la mise en œuvre depuis l’échelle laboratoire jusqu’à l’échelle industrielle, est également présentée en exposant les architectures des réacteurs et les matériaux utilisés. Des exemples de pilotes industriels sont mentionnés illustrant les différentes options de mise en œuvre avec les coûts engendrés. Enfin, les perspectives d’évolution de cette technologie sont abordées dans un contexte d’une nouvelle génération de stations d’épuration.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-in406

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4. Du laboratoire à la station d’épuration

4.1 Développement des piles bactériennes en laboratoire

Un nombre important de laboratoires de recherche travaille sur l’amélioration des performances des piles bactériennes en menant des études sur différents aspects. Les recherches s’intéressent à l’optimisation des performances des piles bactériennes en termes de production d’énergie et de traitement simultané de la pollution organique. Les performances électriques de la pile bactérienne sont évaluées à partir de la densité de puissance maximale (W.m–2 ou W.m–3) qu’elle délivre et qui dépend de la tension (V) et de la densité de courant (A.m–2 ou A.m–3) générées par les réactions d’oxydo-réduction entre les deux électrodes, anode et cathode. L’efficacité de la pile bactérienne à éliminer la matière organique est évaluée sur la base du taux d’abattement de la demande chimique en oxygène (DCO).

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4.1.1 Caractéristiques électriques théoriques des piles bactériennes

Les caractéristiques électriques des piles bactériennes seront décrites en utilisant l’acétate (CH3COO) comme combustible pour les bactéries des biofilms anodiques et le dioxygène (O2) comme oxydant pour la réaction de réduction à la cathode. La réaction généralement exploitée dans le fonctionnement des piles bactériennes est l’oxydation de l’acétate à l’anode (équation (2)) et la réduction du dioxygène à la cathode (équation (3)).

CH 3 COO +4 H 2 O2 HCO 3 ...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - PAITIER (A.), MOREL (H.) -   Etude de la mise à l’échelle des piles à combustible microbiennes : collecteurs de courant et hydrodynamique,  -  2017, [Online]. Available: http://www.theses.fr/2017LYSEI107/document.

  • (2) - SHIZAS (I.), BAGLEY (D.M.) -   Experimental Determination of Energy Content of Unknown Organics in Municipal Wastewater Streams,  -  J. Energy Eng., vol. 130, no. 2, pp. 45-53, 2004, doi: 10.1061/(asce)0733-9402(2004)130:2(45).

  • (3) - BERNARD (C.), E. D. N, AUTOMATIQUE (É.) -   Thèse de doctorat de l’ université de Lyon Alexiane Godain Etude de l’activité électrocatalytique des biofilms microbiens en fonction des forces d’adhésion pour l’optimisation des performances des biopiles,  -  vol. 160 (2018).

  • (4) - HASSANZADEH (H.), MANSOURI (S.H.) -   Efficiency of ideal fuel cell and Carnot cycle from a fundamental perspective,  -  Proc. Inst. Mech. Eng. Part A J. Power Energy, vol. 219, no. 4, pp. 245-254, 2005, doi: 10.1243/095765005X28571.

  • (5) - POTTER (M.C.) -   Electrical...

NORMES

  • Qualité de l’eau – Détermination de la demande chimique en oxygène (DCO) (Indice de classement : T90-101). - NF T90-101 - février 2001

1 Réglementation

Loi n° 83-634 du 13 juillet 1983 portant droits et obligations… (version consolidée du 3 mars 2002).

Décret n° 2000-44 du 13 janvier 2000 portant… (version consolidée au 5 octobre 2007) JO n° 11 du 14 janvier 2000 page 369 NOR : FPPA9910013D.

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2 Brevets

Production d’un biofilm sur électrode pour biopile, électrode et biopile obtenues WO2009153499 A3.

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3 Annuaire

Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)

– Développeur de réacteurs à base de piles bactériennes (Electrogenic BioReactor)

Fluence

http://www.fluencecorp.com

– Fournisseur de matériels électrochimiques

Origalys

https://www.origalys.com/

ElectroCell

http://www.electrocell.com

Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)

International Society for Microbial Electrochemistry and Technology (ISMET)

http://www.is-met.org

International Water Association (IWA)

http://www.iwa-network.org

International...

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