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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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Présentation
Production d’énergie et traitement des eaux usées avec les piles bactériennes
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2. Piles bactériennes : principe, origine et applications
2.1 Principe de fonctionnement
Les piles bactériennes sont des systèmes électrochimiques constitués de deux électrodes, deux matériaux conducteurs, reliées à l’extérieur par un circuit électrique. La première électrode est une anode installée dans un compartiment anaérobie, au fond des eaux usées, là où il y a peu d’oxygène et où se développent naturellement des bactéries anaérobies. Ces bactéries adhèrent spontanément à la surface de cette anode pour former un biofilm, une structure bactérienne complexe et robuste. Les bactéries du biofilm se nourrissent de la matière organique présente dans les eaux usées en les oxydant. Cette réaction d’oxydation transforme ces déchets en dioxyde de carbone qui est libéré dans l’atmosphère terrestre.
Parmi les bactéries présentes dans le biofilm, les bactéries électroactives sont capables d’utiliser l’anode comme accepteur final des électrons de leur chaîne respiratoire anaérobie, le processus cellulaire permettant de produire leur énergie métabolique. Par la suite, les électrons transmis à l’anode empruntent le circuit électrique reliant l’anode à la seconde électrode, la cathode. Ce flot d’électrons génère l’énergie électrique qui peut être exploitée. Sur la cathode installée dans un compartiment aérobie, les électrons servent généralement à réduire le dioxygène de l’air. Le compartiment anaérobie (anodique) est relié au compartiment aérobie (cathodique) par une membrane échangeuse d’ions ou un pont salin dans le cas des piles bactériennes à deux compartiments (figure 1 a). Dans le cas de cathode à air, celle-ci est directement en contact avec le compartiment anodique d’un côté et l’air extérieur de l’autre (figure 1 b).
HAUT DE PAGE2.2 Premiers pas vers une nouvelle biotechnologie
Le tableau 1 résume les dates importantes qui ont marquées le développement de la technologie des piles bactériennes....
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Piles bactériennes : principe, origine et applications
BIBLIOGRAPHIE
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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.
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(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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