BioSym: thème Dépollution et valorisation biologiques des effluents

Animatrices : Marion Alliet et Claire Joannis-Cassan

Les travaux de recherche de ce thème ont pour objectifs d’améliorer la compréhension et la mise en œuvre des procédés d’épuration biologique appliqués au traitement des effluents, particulièrement des eaux usées.

Les approches développées visent à (i) développer des procédés innovants pour le traitement des effluents et leur valorisation énergétique (ii) orienter la maitrise des bio réactions et l’optimisation des réacteurs vers l’élimination des micropolluants, en intégrant des caractérisations chimiques, écotoxicologues et microbiennes, (iii) optimiser les bioprocédés via des approches expérimentales, de l’échelle du laboratoire à celle du site réel, et l’utilisation d’outils numériques. 

Valorisation les effluents pour diminuer leurs impacts économique et environnemental

Les procédés bioélectrochimiques sont étudiés pour diminuer les coûts de traitement des eaux usées (suppression de l’aération des bassins des stations d’épuration). On distingue le traitement passif par le procédé de tuba bioélectrochimique (ANR biotuba) et le traitement par le procédé d’électrolyse microbienne qui congénère de l’hydrogène (Projet WE-MET). Le développement à grande échelle de ces procédés bioélectrochimiques pourrait permettre à terme de disposer de stations de traitement des eaux usées à minima autonomes, voire même excédentaires en termes d’énergie. L’hydrogène produit pourrait être utilisé pour produire de l’électricité (pile à combustible domestique, industrielle ou automobile) ou de la chaleur (par combustion).

Des travaux d’optimisation ont été menés ces dernières années indépendamment sur les briques technologiques des procédés bioélectrochimiques (anode, cathode, biofilms électroactifs, membrane, fluidique…) puis agrégés pour concevoir un démonstrateur de cellules d’électrolyse microbienne de 15 L. Ce démonstrateur doit être installé au sein de la plateforme Hydrogène sur le campus de Toulouse INP. Le prochain objectif est d’adapter la technologie au traitement des eaux usées industrielles agroalimentaires et des secteurs textile et de la tannerie, plus chargées en matières organiques, en métaux lourds et en polluants récalcitrants.

Dégradation des Micropolluants

Après des premiers essais en solutions synthétiques et unités de laboratoire (Thèse Delgado 2009), nous avons démontré que les Bioréacteurs à membranes (BaM), sous conditions opératoires spécifiques, sont de bons candidats pour l’élimination des micropolluants (MP) organiques. Y compris en situations réelles (ANR PANACEE (2011-2015) et Projets Onema -SMS et REMPAR(2015-2019)) le BaM conduit systématiquement à un abattement des effets toxicologiques (eco-geno) ou perturbateurs endocriniens alors que des MP sont encore présents. Nous nous intéressons aujourd’hui aux cinétiques d’apparition et effets des produits de transformation de ces molécules (ANR TRANSPRO 2019-…) et à la mise en œuvre de procédés couplés pour un traitement optimisé en fonction des destinations d’usage de l’eau traitée (SUDOE INNOVEC’EAU).

Nous nous intéressons aussi à la capacité de la biomasse épuratrice à dégrader ces MP sous contraintes : Ainsi, nous avons obtenu des abattements remarquables de MP par un procédé tertiaire à biofilm immobilisé MBBR (moving bed biofilm reactor) pour lequel l’élucidation des mécanismes est en cours. (Abtahi et al, 2018). Ce questionnement sous-tend aussi une étude portant sur un système d’aquaponie avec traitement d’eau par biofiltration.

Visualisation de chemins préférentiels de l’aération dans une section de BaM  par ERT

Optimisation des procédés biologiques de traitement de eaux usées

Les procédés de traitement des eaux usées peuvent être optimisés pour les performances d’abattement, la réduction des boues (projet Minerve), des apports en produits chimiques ou des dépenses énergétiques (Mocopée I & II). Dans ce but, des approches de modélisation et des outils de simulation sont développés : modélisation à base de connaissance des réactions biologiques en conditions originales (présence de médicaments, de prédateurs, procédés de très grande taille…), cette modélisation couplée à celle de la filtration, modélisation statistique par logique floue. Ces approches sont associées à des expériences, voire au développement de nouvelles méthodologies expérimentales : tomographie de résistivité électrique (ERT) pour l’étude de l’hydrodynamique, analyse statistique de la morphologie de flocs. L’ensemble de la démarche (expérimentale et numérique) fait avancer la compréhension des phénomènes impliqués dans ces procédés et progresse grâce à cette compréhension

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