ALG-ONFILM PHASE II (Microalgues pour l’élimination de l’azote et du phosphore des effluents des stations d’épuration des eaux, phase II)

• Forschungsstelle: BAFU
• Projektnummer: UTF 558.16.17

Schlüsselwörter (Französisch)

épuration des eaux usées, traitement tertiaire, photo-bioréacteur, élimination d’azote et du phosphore, biofilm, STEP Yverdon-les Bains

Kurzbeschreibung (Französisch)

Le projet « Microalgues pour l’élimination de l’azote et du phosphore des effluents des stations d’épuration des eaux » a pour but de développer un photo-bioréacteur (PBR) avec un biofilm vertical pour le traitement tertiaire des eaux usées. Le système est alimenté par des matières et des énergies secondaires telles que l’effluent issu du décanteur secondaire de la STEP, le gaz de combustion et la chaleur dégagée par la cogénération. Dans la première phase (UTF 527.03.16) trois prototypes de PBR en biofilm ont été testés en laboratoire et ensuite à l’extérieur sous serre directement à la STEP d’Yverdon-les-Bains. En même temps les paramètres opérationnels et le plan de dimensionnement pour une unité pilote ont été définis.

L’efficacité du système est prometteuse : l’azote N a été éliminé à 65% et le phosphore P à 100%. Le rendement de la biomasse algale sur la surface du réacteur s’élevait à 6,2 g m^-2 d^-1 ce qui correspond à 33,5 g m^-2 d^-1 sur la surface du sol. Une première analyse de la faisabilité technique et économique a montré que le PBR vertical à biofilm permet de réduire significativement l’emprise au sol et la consommation électrique pour l’élimination du phosphore et de l’azote des eaux usées.

Dans la deuxième phase, le fonctionnement de l’unité pilote doit être démontré sur la STEP d’Yverdon-les-Bains : L’efficacité d’élimination de l’azote et du phosphore, les paramètres opérationnels et la valorisation de la biomasse algale produite seront étudiés. Si les objectifs fixés peuvent être atteints, l’installation pilote devrait être commercialisable à la fin de cette phase.

Le projet a été accepté sur la base de la demande de subside du 02.07.2017 à l’occasion de la séance de la Koko UT du 20.06.2017.

Ergebnisse gemäss Vertrag (Französisch)

1. Les propriétés de de la masse algale en regard de la production d’une résine bioplastique sont caractérisées. Des mélanges éventuels sont testés. Jalon 1

2.  L’unité pilote traitant le volume journalier attribuable à 1EH fonctionne en semi-continu pendant 6 mois sur la STEP. Le phosphore est diminué à 0.8 mg/L, l’azote de 80%. La consommation d’énergie s’élève au maximum à 0.10 kWh/m³ d’eau traitée, le besoin en terrain est de 1 m² pour le traitement de l’eau usée journalière d’un EH. Par jour et m² 34 à 40 g de biomasse algale sont produite.
Les effets des paramètres opérationnels sur le développement des algues sont connus. Parallèlement les conditions pour la production d’une résine bioplastique sont évaluées. La biomasse produite à la STEP est caractérisée en vue d’un classement légal en tant que matière biodégradable. Jalon 2

3. Rédaction d’un rapport final présentant les résultats des points 1 à 2, y compris une analyse comparative de la nouvelle technologie avec des technologies existantes d’élimination du phosphore et de l’azote et les exigences réglementaires en vigueur ainsi qu’une estimation de la rentabilité économique et des recommandations pour une implémentation adéquate dans différentes conditions (taille de STEP, types d’effluents, etc.). De plus, un concept agréé par tous les partenaires signataires du présent contrat réglant la future commercialisation de cette technologie doit être rédigé afin de préciser clairement les responsabilités en matière de remboursement réglées au chapitre 8 de ce contrat.

4. Eléments de textes, illustrations et au moins 3 photos (voir annexe 3) pour l’impression des publications à l’adresse du public.

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

Projektziele (Französisch)

L’installation pilote fonctionne en semi-continu sur la STEP d’Yverdon-les-Bains. Son efficacité d’élimination de l’azote et du phosphore, les paramètres opérationnels et le potentiel de valorisation de la biomasse algale sous forme d’une résine bioplastique sont connus, ainsi que les coûts de construction et de fonctionnement.

Beschreibung der Resultate (Französisch)

Les résultats le plus importants sont les suivants :

• La faisabilité technique de cette technologie de traitement tertiaire des eaux usées a été validée grâce à un test dans des conditions industrielles (STEP d’Yverdon-les-Bains), pendant 6 mois, d’un système pilote de réacteur à biofilm photosynthétique traitant le volume journalier attribuable à 1 EH (équivalent-habitant) sur une surface au sol de 1 m2.
• Elimination de l’azote des eaux usées d’environ 60% et de 100% pour le phosphate. La technologie AlgOnfilm élimine également 100% de l’ammonium (seule forme ionique azotée faisant l’objet d’une limite règlementée).
• La concentration de métaux lourds dans l’eau est diminuée en moyenne d’environ 20% (sur l’ensemble de métaux).
• Coût de l’électricité : 0,14 kWh·m-3 d’eau traitée.
• Traitement journalier d’eau usée : 320 l par batch sur 1 m2 au sol.
• Biomasse algale sur la surface au sol : 40 g·m-2·j-1 (matière sèche).
• Production d’une résine bioplastique assez homogène, par mélange de 30% d’algues lyophilisées et 70% de polyester biodégradable. La matière obtenue a permis une injection après granulation et la production d’éprouvettes de test.

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Umsetzung und Anwendungen (Französisch)

 

Le traitement de l’eau usée s’est effectué avec l’unité pilote de culture d’algues en biofilm apte au traitement de 320 L par run et sur 1 m2 au sol.  L’eau de STEP contient typiquement 20-30 mg N / L d’ammonium, 0-5 mg N / L de nitrate, et 5 mg P / L de phosphate (PO₄^3-). Ce dernier est rajouté artificiellement au début de chaque run afin de simuler la concentration en entrée de STEP (à différence de l’azote qui n’a pas subi de traitement à la STEP d’Yverdon lors de nos essais, le phosphate était précipité en traitement secondaire). L’azote inorganique (NH4+, NO2- et NO3-) et le PO42- sont assimilés par les microalgues lors de leur croissance, mais ces dernières sont en compétition direct avec les bactéries nitrifiantes pour le NH4+ qui sera oxydé par ces dernières en NO2- et NO3-.

La technologie AlgOnfilm est une méthode prometteuse. La première moitié des essais développés à la STEP d’Yverdon ont montré un taux d’élimination de N et P convenable. La deuxième moitié des essais ne peut pas être considéré comme représentative de l’action des microorganismes photosynthétiques car une combinaison de facteurs a fait switcher le système à un mode de fonctionnement basé sur la nitrification. Cependant, cette deuxième période s’est avérée très informative car le traitement proposé devra se substituer pendant la saison froide à un système dominée par les bactéries nitrifiantes.

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Weiteres Vorgehen (Französisch)

Le système pilote développé se rapproche beaucoup au système industriel définitif et le fonctionnement en continu dans l’environnement de la STEP permet sa validation (TRL 5 à 6). La suite du projet devrait envisager d’incorporer définitivement un système de raclage automatisé et fournir la preuve d’une intégration réaliste du pilote (optimisé) dans la filière existante avec les adaptations nécessaires selon le concept d’industrialisation. Quant à la production d’un bioplastique, il est nécessaire de faire des prototypages de l’application définitive visée et de suivre les analyses qui s’imposent selon les normes afin de pouvoir certifier le produit.

 Algonfilm a un bilan carbone négatif car cette méthode ne génère pas d’émissions de CO2 mais les utilise et se fournit via les fumées de la cogénération, offrant ainsi l’opportunité de certificats CO2 et participe à la génération de biomatériaux de nouvelle génération qui ne nuisent pas à l’environnement. Si la consommation d’énergie d’Algonfilm reste similaire à la nitrification-dénitrification, il est à noter que la production de consommables chimiques utilisés par celle-ci est hautement énergivore.

Publikationen / Ergebnisse (Französisch)

Bagnoud-Velásquez, M. (2019). Des microalgues pour l’élimination de l’azote et du phosphore des effluents des stations d’épuration des eaux et génération d’un biomatériel : AlgOnfilm (Poster). Symposium ER’19 sur l’Efficacité Energétique, les Energies Renouvelables et l’Environnement, 18-19 Juin, Yverdon-les-Bains.

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.