Research
23/06/2017

Un Belge fait un grand pas vers une épuration d’eau à bilan énergétique positif

Fin 2016, Francis Meerburg terminait un doctorat ayant pour thème: Les boues activées à forte charge pour maximiser la récupération d’énergie dans les eaux usées. Les résultats de cette étude ouvrent des perspectives quant à un processus d’épuration d’eau neutre en énergie, voire même à bilan énergétique positif.

Les boues secondaires en excès sont extraites en continu des systèmes à boues activées. Ces boues subissent ensuite une fermentation ; on produit ainsi du biogaz et ce processus permet de récupérer de l’énergie, par exemple sous forme de production d’électricité. Francis Meerburg : « Aujourd’hui, on perd encore beaucoup de cette matière organique sous forme de CO2. Pour que l’oxydation en CO2 puisse se poursuivre, il y a lieu d’apporter un supplément d’O2, c’est-à-dire d’aérer, ce qui nécessite beaucoup d’énergie. Le défi auquel je me suis vu confronté, était de récupérer davantage de matière organique sous forme de COD (carbone organique dissous), à partir des boues. On obtient ainsi plus de boues secondaires excédentaires, tout en réduisant l’apport en O2. »

De l’eau pleine d’énergie

Selon certaines estimations, la matière organique contenue dans les eaux usées comporte entre cinq et neuf fois plus d’énergie que ce qui est nécessaire pour rendre positif le bilan énergétique de l’épuration de l’eau. « Supposons que l’on puisse convertir toute l’énergie en boues secondaires excédentaires et en biogaz », poursuit Francis Meerburg. « On disposerait alors d’un surplus important d’énergie. Mais ce n’est bien sûr pas le cas, car à chaque transformation d’énergie, on en perd une partie lors de la conversion de la matière organique des eaux usées en boues, une autre partie lors de la conversion des boues en biogaz, et une autre encore lors de la transformation de biogaz en électricité. Nous avons calculé que l’on pouvait, grosso modo, convertir 60% de l’énergie contenue dans les eaux usées, en biogaz. Il apparaît ainsi une possibilité d’épuration d’eau à bilan énergétique positif : celle-ci disposerait de suffisamment d’énergie à partir du biogaz, pour faire fonctionner toute l’installation d’épuration, y compris les pompes, les systèmes d’aération, les appareils de mesure,… »

Deux étapes

Habituellement, un système à forte charge est simplement une version à charge plus forte d’un système normal à boues activées. Francis Meerburg : « L’ensemble du processus de séparation de la matière organique, de l’azote, du phosphore, ainsi que l’adjonction d’oxygène, se déroule dans un seul grand réservoir, certes souvent subdivisé en compartiments. On y ajoute de l’O2 par aération. Les bactéries extraient l’azote et le phosphore de l’eau. Mais si nous utilisons un réservoir plus petit, il y pénètre plus d’eau usée proportionnellement à la quantité de boues qui y est déjà présente. L’eau le traverse plus vite. Nous obtenons ainsi un système à forte charge. On parle de systèmes à forte charge à partir de 2 kg de COD par kilo de boues et par jour. Un tel système fonctionne déjà ici ou là: il est intéressant pour récupérer de l’énergie à partir d’eaux usées. »

Francis Meerburg a étudié une variante de ce processus à forte charge, à savoir le système de contact-stabilisation à forte charge. La différence est la suivante. Dans la version à forte charge d’un système à boues activées, il n’y a qu’un seul réservoir. Mais pour le contact-stabilisation à forte charge il y en a deux, couplés l’un à l’autre.

D’ailleurs, il s’agit pratiquement toujours d’amener l’eau déjà purifiée vers une seconde étape de traitement destinée à l’épurer davantage. Il s’agit alors d’un système en deux étapes, également connu sous le nom de système AB. La première étape est à forte charge, la seconde à faible charge. Ceci est nécessaire, car un système à forte charge seul n’est pas en mesure de purifier suffisamment l’eau. L’étape à faible charge est nécessaire pour extraire l’azote et le phosphore de l’eau afin de répondre aux normes de rejet.

Revenons aux deux réservoirs couplés l’un à l’autre. Le premier est le réservoir de contact, également appelé ‘contacteur’. L’eau usée y est pompée ; elle entre en contact avec les boues qui y sont déjà présentes. Il n’y a pas d’aération dans ce réservoir, de sorte que les bactéries n’y trouvent pas d’oxygène. Ensuite, le contenu du réservoir de contact va vers une chambre de décantation où les boues se déposent et d’où l’eau purifiée s’écoule. C’est cette eau qui la plupart du temps va vers la seconde étape du traitement d’épuration de l’eau. Les boues, toutefois, vont vers un second réservoir, dit ‘de stabilisation’. Là, elles sont aérées. Les bactéries présentes dans les boues ont, pendant un certain temps, la possibilité de ‘respirer’, mais ne peuvent pas se nourrir. Dès que les boues venant du réservoir de stabilisation retournent au réservoir de contact, les bactéries affamées présentes dans les boues dévorent toutes les matières organiques du réservoir de stabilisation qui pénètrent dans le ‘contacteur’; elles grossissent et se multiplient. Le contact avec la matière organique de l’afflux d’eau ne se produit donc que dans le contacteur.

Le cycle est ainsi achevé. À chaque fois, une partie des boues décantées dans le contacteur est pompée et envoyée dans un digesteur, afin de produire du biogaz.

« Un système à boues activées conventionnel (donc à une seule étape et à faible charge) récupère entre 20 et 30% de l’énergie contenue sous forme de matières organiques dans les eaux usées. Dans un système à boues activées et à forte charge, c’est grosso modo 50% du COD qui se transforme en boues », affirme Francis Meerburg. Dans son système de contact-stabilisation à forte charge, toutefois, ce chiffre atteint une moyenne de 60%. Dans certaines circonstances, il atteint même parfois 70%, par exemple lorsqu’il y a beaucoup de matières organiques dans les eaux usées: plus elles sont concentrées, plus efficaces les processus.

Il est donc possible avec ce modèle, de rendre totalement positif le bilan énergétique de l’épuration d’eau, y compris donc la seconde étape à faible charge, nécessaire après le système à forte charge.

« Le système sera surtout intéressant pour les entreprises publiques chargées de l’épuration de l’eau. Cela n’empêche pas qu’il peut aussi servir pour certaines entreprises industrielles. »

Francis Meerburg

Faisabilité économique

Francis Meerburg a étudié la faisabilité économique du système. Les installations d’épuration d’eau équipées de plus d’un seul bassin, peuvent, moyennant des modifications relativement faibles, appliquer sa méthode. Mais il a étudié également le cas où cette application nécessite la reconstruction de systèmes existants ayant un seul réservoir. « Supposons qu’on les reconstruise en un système AB. On pourrait alors utiliser l’épuration d’eau existante comme étape B, et y construire une étape A. Ceci nécessite des investissements financiers. Ces derniers doivent alors être amortis par le gain supplémentaire fait en passant à un système AB. Savoir si l’investissement est intéressant, est une question de durée d’amortissement, de planning financier et autres. Si l’étude paraît positive, le système sera surtout intéressant pour les entreprises publiques chargées de l’épuration de l’eau, telles qu’Aquafin, ou les sociétés des eaux des Pays-Bas. Cela n’empêche pas qu’il peut aussi servir pour certaines entreprises industrielles. Certaines eaux usées industrielles sont en effet plus riches en COD et moins en phosphore. Ainsi, certaines entreprises de transformation de pommes de terre ont des eaux usées très riches en COD », poursuit Francis Meerburg.

Intérêt international

Dans le cadre de son étude, le scientifique est allé à Washington. Résultat: ils y sont, entre-temps, occupés à un essai en vraie grandeur. Les instances de Virginie, chargées de l’épuration d’eau, et Aquafin, y ont également construit une installation pilote. L’Université d’Anvers examine le système à l’échelle du laboratoire. Entre-temps, le scientifique a terminé son doctorat et est associé aux expérimentations chez Aquafin et à Washington. Les résultats apparaîtront certainement à partir de ce printemps.

Par Koen Vandepopuliere

www.aquafin.be

Contact-stabilisation à forte charge (Illustration : F. Meerburg)

Un Belge fait un grand pas vers une épuration d’eau à bilan énergétique positif

Fin 2016, Francis Meerburg terminait un doctorat ayant pour thème: Les boues activées à forte charge pour maximiser la récupération d’énergie dans les eaux usées. Les résultats de cette étude ouvrent des perspectives quant à un processus d’épuration d’eau neutre en énergie, voire même à bilan énergétique positif.

Les boues secondaires en excès sont extraites en continu des systèmes à boues activées. Ces boues subissent ensuite une fermentation ; on produit ainsi du biogaz et ce processus permet de récupérer de l’énergie, par exemple sous forme de production d’électricité. Francis Meerburg : « Aujourd’hui, on perd encore beaucoup de cette matière organique sous forme de CO2. Pour que l’oxydation en CO2 puisse se poursuivre, il y a lieu d’apporter un supplément d’O2, c’est-à-dire d’aérer, ce qui nécessite beaucoup d’énergie. Le défi auquel je me suis vu confronté, était de récupérer davantage de matière organique sous forme de COD (carbone organique dissous), à partir des boues. On obtient ainsi plus de boues secondaires excédentaires, tout en réduisant l’apport en O2. »

De l’eau pleine d’énergie

Selon certaines estimations, la matière organique contenue dans les eaux usées comporte entre cinq et neuf fois plus d’énergie que ce qui est nécessaire pour rendre positif le bilan énergétique de l’épuration de l’eau. « Supposons que l’on puisse convertir toute l’énergie en boues secondaires excédentaires et en biogaz », poursuit Francis Meerburg. « On disposerait alors d’un surplus important d’énergie. Mais ce n’est bien sûr pas le cas, car à chaque transformation d’énergie, on en perd une partie lors de la conversion de la matière organique des eaux usées en boues, une autre partie lors de la conversion des boues en biogaz, et une autre encore lors de la transformation de biogaz en électricité. Nous avons calculé que l’on pouvait, grosso modo, convertir 60% de l’énergie contenue dans les eaux usées, en biogaz. Il apparaît ainsi une possibilité d’épuration d’eau à bilan énergétique positif : celle-ci disposerait de suffisamment d’énergie à partir du biogaz, pour faire fonctionner toute l’installation d’épuration, y compris les pompes, les systèmes d’aération, les appareils de mesure,… »

Deux étapes

Habituellement, un système à forte charge est simplement une version à charge plus forte d’un système normal à boues activées. Francis Meerburg : « L’ensemble du processus de séparation de la matière organique, de l’azote, du phosphore, ainsi que l’adjonction d’oxygène, se déroule dans un seul grand réservoir, certes souvent subdivisé en compartiments. On y ajoute de l’O2 par aération. Les bactéries extraient l’azote et le phosphore de l’eau. Mais si nous utilisons un réservoir plus petit, il y pénètre plus d’eau usée proportionnellement à la quantité de boues qui y est déjà présente. L’eau le traverse plus vite. Nous obtenons ainsi un système à forte charge. On parle de systèmes à forte charge à partir de 2 kg de COD par kilo de boues et par jour. Un tel système fonctionne déjà ici ou là: il est intéressant pour récupérer de l’énergie à partir d’eaux usées. »

Francis Meerburg a étudié une variante de ce processus à forte charge, à savoir le système de contact-stabilisation à forte charge. La différence est la suivante. Dans la version à forte charge d’un système à boues activées, il n’y a qu’un seul réservoir. Mais pour le contact-stabilisation à forte charge il y en a deux, couplés l’un à l’autre.

D’ailleurs, il s’agit pratiquement toujours d’amener l’eau déjà purifiée vers une seconde étape de traitement destinée à l’épurer davantage. Il s’agit alors d’un système en deux étapes, également connu sous le nom de système AB. La première étape est à forte charge, la seconde à faible charge. Ceci est nécessaire, car un système à forte charge seul n’est pas en mesure de purifier suffisamment l’eau. L’étape à faible charge est nécessaire pour extraire l’azote et le phosphore de l’eau afin de répondre aux normes de rejet.

Revenons aux deux réservoirs couplés l’un à l’autre. Le premier est le réservoir de contact, également appelé ‘contacteur’. L’eau usée y est pompée ; elle entre en contact avec les boues qui y sont déjà présentes. Il n’y a pas d’aération dans ce réservoir, de sorte que les bactéries n’y trouvent pas d’oxygène. Ensuite, le contenu du réservoir de contact va vers une chambre de décantation où les boues se déposent et d’où l’eau purifiée s’écoule. C’est cette eau qui la plupart du temps va vers la seconde étape du traitement d’épuration de l’eau. Les boues, toutefois, vont vers un second réservoir, dit ‘de stabilisation’. Là, elles sont aérées. Les bactéries présentes dans les boues ont, pendant un certain temps, la possibilité de ‘respirer’, mais ne peuvent pas se nourrir. Dès que les boues venant du réservoir de stabilisation retournent au réservoir de contact, les bactéries affamées présentes dans les boues dévorent toutes les matières organiques du réservoir de stabilisation qui pénètrent dans le ‘contacteur’; elles grossissent et se multiplient. Le contact avec la matière organique de l’afflux d’eau ne se produit donc que dans le contacteur.

Le cycle est ainsi achevé. À chaque fois, une partie des boues décantées dans le contacteur est pompée et envoyée dans un digesteur, afin de produire du biogaz.

« Un système à boues activées conventionnel (donc à une seule étape et à faible charge) récupère entre 20 et 30% de l’énergie contenue sous forme de matières organiques dans les eaux usées. Dans un système à boues activées et à forte charge, c’est grosso modo 50% du COD qui se transforme en boues », affirme Francis Meerburg. Dans son système de contact-stabilisation à forte charge, toutefois, ce chiffre atteint une moyenne de 60%. Dans certaines circonstances, il atteint même parfois 70%, par exemple lorsqu’il y a beaucoup de matières organiques dans les eaux usées: plus elles sont concentrées, plus efficaces les processus.

Il est donc possible avec ce modèle, de rendre totalement positif le bilan énergétique de l’épuration d’eau, y compris donc la seconde étape à faible charge, nécessaire après le système à forte charge.

« Le système sera surtout intéressant pour les entreprises publiques chargées de l’épuration de l’eau. Cela n’empêche pas qu’il peut aussi servir pour certaines entreprises industrielles. »

Francis Meerburg

Faisabilité économique

Francis Meerburg a étudié la faisabilité économique du système. Les installations d’épuration d’eau équipées de plus d’un seul bassin, peuvent, moyennant des modifications relativement faibles, appliquer sa méthode. Mais il a étudié également le cas où cette application nécessite la reconstruction de systèmes existants ayant un seul réservoir. « Supposons qu’on les reconstruise en un système AB. On pourrait alors utiliser l’épuration d’eau existante comme étape B, et y construire une étape A. Ceci nécessite des investissements financiers. Ces derniers doivent alors être amortis par le gain supplémentaire fait en passant à un système AB. Savoir si l’investissement est intéressant, est une question de durée d’amortissement, de planning financier et autres. Si l’étude paraît positive, le système sera surtout intéressant pour les entreprises publiques chargées de l’épuration de l’eau, telles qu’Aquafin, ou les sociétés des eaux des Pays-Bas. Cela n’empêche pas qu’il peut aussi servir pour certaines entreprises industrielles. Certaines eaux usées industrielles sont en effet plus riches en COD et moins en phosphore. Ainsi, certaines entreprises de transformation de pommes de terre ont des eaux usées très riches en COD », poursuit Francis Meerburg.

Intérêt international

Dans le cadre de son étude, le scientifique est allé à Washington. Résultat: ils y sont, entre-temps, occupés à un essai en vraie grandeur. Les instances de Virginie, chargées de l’épuration d’eau, et Aquafin, y ont également construit une installation pilote. L’Université d’Anvers examine le système à l’échelle du laboratoire. Entre-temps, le scientifique a terminé son doctorat et est associé aux expérimentations chez Aquafin et à Washington. Les résultats apparaîtront certainement à partir de ce printemps.

Par Koen Vandepopuliere

www.aquafin.be

Contact-stabilisation à forte charge (Illustration : F. Meerburg)

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