ALG-ONFILM (Microalgues pour élimination de l’azote et du phosphore dans les STEP)

• Forschungsstelle: BAFU
• Projektnummer: UTF 527.03.16

Schlüsselwörter (Französisch)

eaux usées, STEP, élimination azote, élimination phosphore,  microalgues, photo-bioréacteurs, biofilm

Kurzbeschreibung (Französisch)

La concentration de l’azote N et du phosphore P dans l’effluent final de nombreuses stations de traitement d’eau doit être davantage réduite selon la nouvelle ordonnance sur la protection des eaux. Les traitements en place sont coûteux, gourmands en énergie et dépendent de l’utilisation de produits chimiques, p.ex. précipitants et méthanol. L’utilisation de photo-bioréacteurs (PBR) soutenant la croissance des biofilms phototrophes pourrait représenter une solution alternative intéressante. Dans le projet prévu on utilise des microalgues (MA). Capables d’une assimilation accrue de N et P, elles n’ont besoin que de CO₂ pour croître. Elles ne causent donc pas d’émissions à effet de serre et la biomasse produite offre la possibilité d’une valorisation énergétique et la récupération de fertilisants. La technologie développée peut même avoir un effet positif sur la réduction des micropolluants. Les MA à tester sont d’origine indigène, typiques des eaux usées et seront cultivées en biofilm. Le système sera comparé avec un système de production ouvert plus classique avec des algues en suspension. Trois variantes de prototypes seront produites et testés à la HEIG-VD.

Ergebnisse gemäss Vertrag (Französisch)

1     Les travaux préliminaires sont finis: les espèces des microalgues (MA) appropriées sont connues, décrites et prêtes pour les essais. La conception des 3 photobioréacteurs (PBR) et de l’installation pilote est élaborée (Critères définis pour des conditions favorables aux MA notamment concernant les substrats de croissance, l’échange de gaz, etc). MS 1

2     Les PBRs sont testés en semi-continu en laboratoire et à petit échelle sous serre à l’extérieur avec des effluents caractérisés. Les paramètres de fonctionnement du système permettant des conditions optimales pour les MA (dosage des effluents et du CO₂, temps de rétention hydraulique etc.) sont connus. Le taux de croissance et le rendement de la biomasse algales; l’ évolution de la concentration de N, P et de certains micropolluants d’intérêt est connue. Pour N et P les objectifs ciblent une diminution de P à 0,8 mg/L et de 90% de la concentration de N. De plus les autres mesures usuelles dans les STEP sont relevées et analysée permettant la comparaison entre les eaux usées avant, pendant et après le traitement. MS 2

3     Rédaction d’un rapport final présentant les résultats des points 1 à 3, qui contient également la comparaison des 3 PBR et le plan de redimensionnement pour une unité de pilote.

4     Eléments de textes et illustrations ou photos pour l’impression d’un fact-sheet à l’adresse du public.

5     Présentation des résultats lors d’un colloque scientifique à l’OFEV (avec présentation Power-point).

Projektziele (Französisch)

Les 3 prototypes de PBR de type biofilm fonctionnent dans des conditions du laboratoire et à petit échelle sous serre à l’extérieur. L’efficacité concernant l’élimination de l’azote et du phosphore est connue. La performance de la croissance des algues reflétant la diminution de la concentration de nutriments de l’eau sera ainsi comparée avec un système existant de culture ouvert avec des algues en suspension (Système de la ZHAW).

Beschreibung der Resultate (Französisch)

Les résultats le plus importants sont les suivants :

• Développement et mise en service directement à la STEP d’Yverdon-les-Bains de 3 photobioréacteurs (BPR) à biofilm avec 2 parmi eux d’une conception totalement originale (démarches pour brevet en cours)
• Rendement de la biomasse algale sur la surface du réacteur = 6,2 g m-2 d-1.
• Rendement de la biomasse algale sur la surface au sol = 33,5 g m-2 d-1 (sur 3 ha = 1 ton biomasse)
• L’efficacité d’élimination de N et P est de 65% et 100% respectivement avec le PBR vertical et ceci dans un TRH record de 7h et sous les conditions météorologiques du mois d’octobre.
• Le PBR vertical a permis un grand nombre d’avantages par rapport aux solutions existantes, à savoir : meilleure efficacité pour le traitement de l’eau usée, réduction de l’emprise au sol et de la consommation électrique par rapport à tout autre PBR algal, excellent rapport S/V, un transfert de masse CO2 gaz-liquide optimal, une augmentation de l’efficacité photosynthétique, une structure interne capable d’assurer l’humidité et le refroidissement nécessaire, un effet filtrante pour les particules du gaz, parmi d’autres. 
• 100 L d’eau traité par jour sur un module de PBR à biofilm occupant 0,4 m² de surface au sol.

Umsetzung und Anwendungen (Französisch)

Ce projet a permis de développer un prototype de PBR à biofilm très prometteur (en comparaison avec des autres systèmes à biofilm et avec les systèmes conventionnels de culture en bassin ouvert). Il s’agit d’un module vertical qui a démontré de nombreux avantages tels qu’une haute productivité de biomasse, un transfert gaz-liquide optimal, une récolte sans contraintes, entre autres. Cette première phase était dédiée au prototypage et restreinte aux capacités analytiques du laboratoire.

Weiteres Vorgehen (Französisch)

Une deuxième phase de projet prévoit le déploiement d’une unité pilote. Celle-ci sera capable d’assurer le traitement d’un volume d’eau par jour correspondant à 1EH. Ce traitement sera suivi en continu grâce à la nouvelle platine d’analyse relié aux PBRs permettant ainsi l’automatisation des mesures online. Afin de pouvoir garantir la faisabilité de la technologie à l’échelle commerciale, le développement d’une unité pilote et sa mise en service à longueur d’année est de rigueur car seul un tel recul permettrait d’incorporer la variabilité météorologique et au fils de saisons (de la même façon que la performance des traitements en place sont évalués annuellement)

Publikationen / Ergebnisse (Französisch)

Bagnoud-Velásquez, M., C. Mahmed, J-B. Michel, Chr. Ludwig (2016). Leveraging nutrients from waste resources for biomass production and CO2 recycling using microalgae (Poster). Biomass for Swiss Energy Future Conference 2016, September, Brugg/Windisch, Switzerland.

Bagnoud-Velásquez, M., Hu, J., Mahmed, C., Michel, J-B. (2016). New phototrophic biofilm reactor with an integrated CO2 membrane contactor absorber applied to municipal wastewater treatment. 1st IWA Conference on Algal Technologies for Wastewater Treatment and Resource Recovery. UNESCO-IHE, Delft, The Netherlands, March 16-17, 2017.