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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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Reducing the energy consumption of urban and industrial wastewater treatment plants is a real issue for the development of the future sustainable city. This article discusses bacterial battery technology that could help treatment plants become self-sufficient in energy. The principle of operation and the first development steps of this emerging technology are described. The production of electrical energy from wastewater and the potential for exploiting bacterial batteries in treatment plants are then developed, before concluding on the prospects offered by this new technology.
Auteur(s)
-
Naoufel HADDOUR : Maître de conférences - Laboratoire Ampère, Ecole Centrale de Lyon, Ecully, France
INTRODUCTION
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.
Le lecteur trouvera en fin d’article un tableau des notations utilisées.
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MOTS-CLÉS
KEYWORDS
water treatment | energy | wastewater | bacteria
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Du laboratoire à la station d’épuration
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3. Production d’énergie et traitement des eaux usées avec les piles bactériennes
3.1 Stations d’épuration : traitement et énergie
3.1.1 Traitement des eaux usées
Il existe plus 21 000 stations d’épuration en France, dont une grande partie est équipée d’un procédé de traitement biologique. Ce procédé permet la dégradation de la matière organique carbonée et azotée dissoute dans les eaux usées, grâce à des bactéries contenues dans les bassins de traitement. Lors du traitement biologique, les eaux usées sont aérées afin d’assurer la respiration aérobie des bactéries. Par ce moyen, les bactéries utilisent la matière organique comme donneurs d’électrons dans leur respiration et le dioxygène apporté par l’aération comme accepteur d’électrons. Par la suite, le développement des bactéries épuratrices entraîne la formation de flocs qui sédimentent sous forme de boues et se séparent de l’eau épurée. Après épuration, l’eau peut être rejetée dans les milieux naturels.
HAUT DE PAGE
La consommation énergétique des stations d’épuration est généralement estimée en kilowatt-heure nécessaire à l’élimination d’un kilogramme de Demande Biochimique en Oxygène au bout de 5 jours (kDBO5). La DBO5 correspond à la quantité de dioxygène nécessaire aux bactéries pour oxyder la matière organique en CO2, mesurée au bout de 5 jours. Cette analyse permet d’estimer la quantité totale de matière organique biodégradable présente dans les eaux à traiter. Les stations d’épurations, qui présentent une capacité de traitement supérieur à 100 000 équivalent habitant (EH), utilisent les boues activées comme procédé de traitement biologique avec une consommation énergétique moyenne de 3,4 kWh/kDBO5 éliminée. Ceci représente une consommation électrique d’environ 6 GWh par an pour une station d’épuration...
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Production d’énergie et traitement des eaux usées avec les piles bactériennes
BIBLIOGRAPHIE
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(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.
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(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).
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(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).
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(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...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
-
Qualité de l’eau – Détermination de la demande chimique en oxygène (DCO) (Indice de classement : T90-101). - NF T90-101 - février 2001
ANNEXES
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.
HAUT DE PAGE
Production d’un biofilm sur électrode pour biopile, électrode et biopile obtenues WO2009153499 A3.
HAUT DE PAGEConstructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
– Développeur de réacteurs à base de piles bactériennes (Electrogenic BioReactor)
Fluence
– Fournisseur de matériels électrochimiques
Origalys
ElectroCell
Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)International Society for Microbial Electrochemistry and Technology (ISMET)
International Water Association (IWA)
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