Thème de recherche :
Récupération du carbone, de l’azote et du phosphore en station d’épuration
Un procédé de traitement des eaux usées qui récupère le carbone, l’azote et le phosphore
Le traitement des eaux usées représenterait environ 1 % de la consommation mondiale d’électricité. L’aération en absorbe une grande part, et l’élimination de l’azote produit aussi du N₂O. Un Bloomo à grande échelle vise à remplacer une partie de ce coût par de la récupération de ressources, selon quatre couches : moins d’aération, captage du CO₂, récupération de l’azote et du phosphore, atténuation du N₂O. Son application aux eaux usées urbaines en est au stade de la recherche et de la validation à petite échelle.
Contexte, produit, perspectives
Contexte
Le traitement des eaux usées représenterait environ 1 % de la consommation mondiale d’électricité. Dans le procédé à boues activées, l’aération absorbe 50–60 % de l’énergie, et l’élimination de l’azote génère du N₂O, dont le PRG atteint 273.
Produit
Bloomo for Sewage est développé pour s’intégrer aux procédés de traitement existants. Il associe l’apport d’oxygène par photosynthèse, le captage du CO₂ et l’assimilation du NH₄⁺ en acides aminés, avec un objectif d’élimination supérieur à 90 % pour l’azote comme pour le phosphore (objectifs non encore validés).
Perspectives
Nous commencerons par une recherche conjointe avec des gestionnaires de réseaux d’assainissement et des exploitants au Japon, et évaluerons la technologie en complément du traitement existant, sous réserve du respect des normes de rejet. Nous étudierons aussi la manière de présenter le captage du CO₂ comme valeur environnementale.
Utilisateurs et produit
USER
Collectivités et entreprises d’infrastructure
- Consommation énergétique élevée du traitement des eaux usées
- Obligation de quantifier et de réduire les émissions de N₂O et de CH₄
- Récupérer l’azote et le phosphore comme ressources
- Décarbonation lors du renouvellement d’installations vieillissantes
PRODUCT
Bloomo for Sewage
Un procédé algal intégré, conçu pour les installations existantes (stade de recherche)
- La photosynthèse en substitution partielle de l’énergie d’aération
- Captage du CO₂ des fumées
- Azote récupéré par assimilation du NH₄⁺ en acides aminés
- Atténuation du N₂O par ajout de biochar (à l’étude)
Technologies clés et atouts
Moins d’énergie d’aération
L’oxygène photosynthétique remplace en partie l’O₂ fourni aux bactéries aérobies (le bilan énergétique net, brassage et récolte compris, sera évalué en démonstration)
Captage du CO₂
Utilise le CO₂ des fumées industrielles. Environ 1,83 t CO₂ par tonne de biomasse est un captage théorique, pas une réduction nette
Récupération N et P
NH₄⁺ assimilé en acides aminés et protéines. Des travaux avec PBR+MPBR rapportent une élimination supérieure à 90 %
Atténuation du N₂O
Des travaux rapportent moins d’émissions de N₂O de la dénitrification microbienne avec ajout de biochar (à l’étude chez Novelgen)
Faire du traitement des eaux usées une récupération de ressources
Le traitement des eaux usées est une infrastructure indispensable à la santé publique ; il représenterait pourtant environ 1 % de la consommation mondiale d’électricité[1]. Dans le procédé à boues activées, l’aération absorbe 50–60 % de l’énergie[2], et l’élimination de l’azote génère du N₂O (PRG 273)[3][4]. Nous présentons ici un concept de procédé, fondé sur un Bloomo à grande échelle, qui vise à remplacer une partie de ce coût par de la récupération de ressources (stade de recherche).
PROBLEMLes problèmes structurels du traitement classique
Forte consommation d’énergie et émissions de CO₂
L’aération absorbe 50–60 % de l’électricité consommée par le procédé à boues activées. Le secteur mondial du traitement des eaux usées représente environ 1 % de la consommation d’électricité et devrait croître de 20 % d’ici 2030.
Références : [2][5]
Émissions de N₂O
Une nitrification et une dénitrification incomplètes produisent du N₂O. C’est un gaz à effet de serre extrêmement puissant (PRG à 100 ans de 273), et son facteur d’émission varie fortement d’une installation à l’autre.
Références : [3][4][6]
Récupérer l’azote et le phosphore
La nitrification et la dénitrification rejettent une grande partie de l’azote dans l’atmosphère sous forme de N₂. La valorisation du phosphore des boues progresse déjà. La récupération par les algues est étudiée en complément de la valorisation existante des boues.
Références : [7]
SOLUTIONUn concept en quatre couches avec Bloomo
Réduire l’énergie d’aération
L’oxygène photosynthétique remplace en partie l’oxygène fourni aux bactéries aérobies. Des systèmes de co-culture algues–boues activées ont montré une élimination de l’azote, du phosphore et de la DCO. L’oxygène photosynthétique n’est toutefois produit que le jour, et le bilan énergétique net, brassage et récolte compris, sera évalué en démonstration.
Références : [8]
Captage du CO₂
Les microalgues captent le CO₂ dans leur biomasse par photosynthèse. En supposant une teneur en carbone de 50 % de la matière sèche, le captage théorique est d’environ 1,83 t CO₂ par tonne de biomasse (valeur brute, pas une réduction nette). Le CO₂ peut être fourni en forte concentration depuis les fumées, et certains travaux utilisent des fumées contenant des NOx/SOx, dont les effets doivent aussi être évalués.
Références : [9]
Récupérer l’azote et le phosphore
Le NH₄⁺ est assimilé par les algues en acides aminés et en protéines. Des travaux associant un PBR à une séparation membranaire (MPBR) ou à des dispositifs proches ont rapporté une élimination supérieure à 90 % pour l’azote et le phosphore. Nous visons à récupérer l’essentiel de l’azote sous forme de biomasse, mais le bilan azoté, y compris le N₂O produit par les algues et la volatilisation de l’ammoniac, sera vérifié en démonstration. La biomasse issue des eaux usées urbaines n’est pas destinée à l’alimentation animale ; nous envisageons des usages comme engrais ou biochar (sous réserve d’analyses, notamment des métaux lourds et des pathogènes, et du respect de la réglementation).
Références : [10][11][14]
Valoriser la biomasse récupéréeAtténuer les émissions de N₂O
Une baisse des émissions de N₂O a été rapportée dans des zones humides construites additionnées de biochar. Nous étudions la possibilité de produire du biochar à partir de la biomasse récupérée par Bloomo et de le réintroduire dans le procédé (effet non validé).
Références : [12][13]
System architecture comparison
BENCHMARKIndicateurs de performance (objectifs, en cours de validation)
| Indicateur | Procédé classique | Bloomo intégré (objectif) |
|---|---|---|
| Élimination de l’azote | Selon le procédé de traitement | > 90 % (objectif) |
| Élimination du phosphore | Selon le procédé de traitement | > 90 % (objectif) |
| Part de l’énergie due à l’aération | 50–60 % du total | En partie remplacée par la photosynthèse (bilan net à évaluer) |
| Facteur d’émission de N₂O | 1,01 % kg N₂O-N/kg NT (médiane) | Atténuation visée (N₂O des algues compris) |
Note : la colonne Bloomo intégré présente des objectifs non encore validés (les sources sont les travaux sur lesquels ils s’appuient). L’application aux eaux usées urbaines en est au stade de la recherche et de la validation à petite échelle, sans mise en œuvre à grande échelle à ce jour.
BUSINESSMode de mise à disposition (concept)
Bloomo for Sewage serait proposé par collaboration et licence avec des entreprises d’infrastructure et des collectivités. Les conditions précises se discutent dans le cadre d’une recherche conjointe.
- ▸ Le package technologique Algal Bloom Capture (bibliothèque de souches, protocoles de culture, savoir-faire de pilotage par IA)
- ▸ Bloomo Cloud Service (supervision à distance et optimisation)
- ▸ Modèles de collaboration avec les partenaires (entreprises d’infrastructure, collectivités)
ROADMAPFeuille de route
- 1.Démonstration en aquaculture : vérifier les performances des unités et du pilotage de culture avec Bloomo chez des exploitants aquacoles et des écloseries
- 2.Validation sur eaux usées (en cours) : l’application aux eaux usées urbaines en est au stade de la recherche et de la validation à petite échelle ; après démonstration sur effluents réels, nous visons un niveau opérationnel
- 3.Déploiement : mise à disposition sous licence ou en service, vérification de la conformité aux normes de rejet japonaises et étude du calcul de la valeur environnementale
References
- Maktabifard M., et al. Achieving energy neutrality in wastewater treatment plants. Rev. Environ. Sci. Bio/Technol., 2018, 17, 655–689. DOI →
- Pathways to a net-zero-carbon water sector through energy-extracting wastewater technologies. npj Clean Water, 2022, 5, 49. DOI →
- Kampschreur M.J., Temmink H., Kleerebezem R., Jetten M.S.M., van Loosdrecht M.C.M. Nitrous oxide emission during wastewater treatment. Water Research, 2009, 43(17), 4093–4103. DOI →
- Stylianou M., et al. Factors Affecting N₂O Emissions from Activated Sludge WWTP — A Review. Resources, 2023, 12(10), 114. DOI →
- Mizuta K., Shimada M. Benchmarking energy consumption in municipal WWTPs in Japan. Water Science and Technology, 2010, 62(10), 2256–2262. DOI →
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- Abdelfattah A., et al. Microalgae-based wastewater treatment: Mechanisms, challenges, recent advances, and future prospects. Environmental Science and Ecotechnology, 2022, 13, 100205. DOI →
- Cheah W.Y., Show P.L., Chang J.-S., Ling T.C., Juan J.C. Biosequestration of atmospheric CO₂ and flue gas-containing CO₂ by microalgae. Bioresource Technology, 2015, 184, 190–201. DOI →
- Goh P.S., et al. Microalgae-Enabled Wastewater Remediation and Nutrient Recovery through Membrane Photobioreactors: Recent Achievements and Future Perspective. Membranes, 2022, 12(11), 1094. DOI →
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- Zhang Y., Zhang Z., Chen Y. Biochar Mitigates N₂O Emission of Microbial Denitrification. Environ. Sci. Technol., 2021, 55(12), 8068–8078. DOI →
- Plouviez M., et al. The biosynthesis of nitrous oxide in the green alga Chlamydomonas reinhardtii. The Plant Journal, 2017, 91(1), 45–56. DOI →
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