Développement d'une sonde de mesure électrochimique pour la détection et la surveillance des nitrites dans les stations d'épuration des eaux usées STEP

• Research unit: FOEN
• Project number: UTF 770.20.25

Key words (French)

Émissions d'oxyde nitreux (N2O), capteur de nitrite, station d'épuration, TRL 6, TRL 5, Ordonnance sur la protection des eaux (OEaux), surveillance en temps réel

Short description (French)

Selon les estimations de l'Eawag, les émissions de protoxyde d'azote (N2O) des STEP en Suisse s'élèvent à environ 300 000 tonnes CO₂-eq/ an ce qui en fait l'un des principaux facteurs d'impact climatique des STEP. Ces émissions pourraient être réduites de 75 % si les concentrations de nitrites (NO₂) étaient mieux surveillées et contrôlées, permettant ainsi de respecter la valeur indicative de 0,3 mg NO2-N/l fixée par l'ordonnance sur la protection des eaux (OEaux). Cependant, les méthodes utilisées jusqu'à présent pour surveiller les nitrites sont soit coûteuses et lentes, soit d'une applicabilité limitée. Le procédé électrochimique d'oxydation des nitrites, sur lequel repose le capteur de nitrites, a été développé et breveté en 2018 à l'Eawag.

VunaNexus dispose d'une licence mondiale exclusive pour ce brevet. Le capteur a été perfectionné pour être utilisé dans le traitement des eaux usées à forte concentration en azote (telles que l'urine, le lisier, les eaux usées de l'industrie alimentaire, etc.) jusqu’à une quatrième version du prototype. Dans le cadre du présent projet, le capteur doit être adapté et testé pour être utilisé dans des eaux usées à plus faible concentration en azote et dont la composition diffère de celle de l'urine ou du lisier. Le capteur se compose de trois électrodes (anode, cathode, référence) et est contrôlé par un potentiostat.

Pour répondre aux exigences d'une STEP, le matériel devra être adapté et à terme ne plus dépendre d'un ordinateur windows indépendant. L'objectif du projet est de mettre au point un capteur en ligne peu coûteux avec un niveau de maturité technologique TRL 6 (actuellement TRL 5), qui puisse être installé dans toutes les STEP en Suisse. Cela permettrait de surveiller en temps réel (échantillonnage à haute fréquence) la formation et la présence de nitrites à l'échelle nationale.

Le projet prévoit différentes étapes : une analyse des tendances des signaux de nitrites doit montrer comment les mesures qualitatives continues des nitrites peuvent être utilisées pour optimiser le fonctionnement des STEP. Des indicateurs tels que la limite de détection, la limite de quantification, l'exactitude et la précision seront collectés. Le comportement à long terme du capteur sera étudié et des schémas de maintenance possibles seront élaborés. La configuration d'étalonnage existante, qui dépend actuellement fortement de la matrice et de l’hydrodynamique à la surface du capteur, doit être optimisée et adaptée à la plage de mesure souhaitée de la station d'épuration (par exemple 0,07 mgN/L – 2 mgN/L, à définir). Afin de garantir la pertinence pratique pendant tout le projet, les études sont menées à la STEP Werdhölzli à Zurich et avec le soutien continu du VSA (Association suisse des professionnels de la protection des eaux).

Results according to contract (French)

1. Faisabilité technologique dans les applications à long terme liées aux eaux usées : Trois au début, puis au cours du projet quatre capteurs destinés aux mesures à long terme (1 an) sont installés dans différents réacteurs de la STEP, afin de répondre dès le début aux intérêts potentiels d'une telle mesure (bassin de nitrification/dénitrification ; en amont de l'ozonation ; deux endroits différents dans le traitement des retours de digestion) Les exigences en matière de nettoyage des capteurs sont définies, les éventuelles sensibilités croisées avec d'autres substances sont identifiées. La courbe de mesure pour le calibrage des capteurs est établie. Les capteurs indiquent une augmentation du nitrite permettant d’envoyer un signal d’alarme sur un app et/ ou par e-mail de manière que les techniciens de procédé puissent réagir dans les 5 minutes. Le décalage du capteur par rapport à des mesures de contrôle est inférieur à 0,1 mg/l. Jalon 1
   
   
2. Optimisation technologique : la cinquième version du prototype est un capteur peu coûteux équipé d'un potentiostat (générateur de signaux) compact et étanche intégré. La description de la fabrication est disponible. La transmission des signaux est intégrée et adaptée aux besoins des clients. La fonctionnalité a été prouvée. Jalon 2
   
   
3. Étude de marché, validation du modèle commercial : la taille détaillée du marché des stations d'épuration en Suisse et les clients potentiels ont été définis. Une trentaine d'entretiens ont permis de recueillir des commentaires sur la tarification, les besoins et la disposition à payer. Des contacts ont été établis avec des fabricants de capteurs potentiels. Jalon 3
   
   
4. Rédaction d’un rapport final présentant les résultats des points 3.1 à 3.3. Le rapport doit également renseigner sur la façon dont les futurs utilisateurs ont été adressés pendant le projet de quelle manière se fera l’introduction sur le marché et quels développements sont prévus pour la technologie dans un horizon de 5 ans. Un article sur les résultats du projet est publié dans Aqua&Gas.
5. Eléments de textes, illustrations et au moins 3 photos (voir annexe 3) pour l’impression de publications à l’adresse du public.
   
   
6. Une présentation des résultats avec PowerPoint sera effectuée à la fin du projet pour les personnes intéressées de l’OFEV.

Project aims (French)

Le prototype d'un capteur peu coûteux permettant de surveiller en temps réel la formation de nitrites dans les STEP a été construit et testé. Les futurs clients sont connus, les modèles commerciaux possibles ont été décrits. Des échanges ont été engagés avec des fabricants potentiels afin d’étudier les différentes options de production du capteur (Sous-traitance ou production interne).