Un article paru dans le magazine Technologie de l’environnement décrit un nouveau modèle de réacteur anaérobie à faible coût, qui fonctionne avec un biofilm bactérien attaché à une mousse de polyuréthane, capable de réduire jusqu’à 70 % la concentration de composés azotés dans les eaux usées sanitaires.
Pour arriver à ces résultats, les scientifiques ont mis au point un modèle mathématique qui leur permet de comprendre et de prédire le mécanisme d’élimination de l’azote dans le biofilm formé par les bactéries qui transforment les composés azotés en azote gazeux, inoffensif pour l’environnement.
Sous la direction du professeur Eugenio Foresti, de la São Carlos School of Engineering de l’Université de São Paulo (EESC-USP), et avec une subvention de la São Paulo Research Foundation (FAPESP), les travaux ont été menés par une équipe dirigée par par l’ingénieur en environnement Bruno Garcia Silva pour sa thèse de doctorat en génie hydraulique et assainissement.
« L’élimination de l’azote est encore réalisée dans quelques stations d’épuration au Brésil, alors qu’en Europe et aux États-Unis, cela se fait déjà plus facilement. L’idée est d’apporter l’infrastructure nécessaire à notre réalité », a déclaré Garcia dans un communiqué de l’Agência FAPESP. « Ici, on utilise généralement le réacteur anaérobie, qui génère un effluent à faible charge organique, ce qui rend difficile le processus d’élimination de l’azote ».
Selon le chercheur, l’élimination des composés azotés (y compris les nitrites, les nitrates et l’ammoniac) des eaux usées domestiques et industrielles est essentielle, car ils peuvent contaminer la surface (lacs, barrages, ruisseaux et ruisseaux) et les plans d’eau souterrains (tels que les grands aquifères ), favorisant la croissance incontrôlée de bactéries, d’algues et de plantes, dans un processus appelé eutrophisation.
De plus, Garcia explique que la consommation d’eau contaminée par les nitrates peut entraîner le développement de maladies telles que la méthémoglobinémie, connue sous le nom de syndrome du bébé bleu. Plus fréquente chez les enfants, la pathologie peut provoquer des maux de tête, des vertiges, de la fatigue, une léthargie voire un état de choc, en plus d’une dépression respiratoire sévère et de modifications neurologiques, telles que des convulsions et le coma, dans les cas les plus graves.
«Lorsque les algues fleurissent, l’une des conséquences que nous avons constatées dans des barrages comme Billings, par exemple, est la mort de poissons en raison du manque d’oxygène dans l’eau. Vous perdez une zone qui pourrait être un approvisionnement, un loisir ou les deux à cause de l’excès d’algues, qui sont très difficiles à éliminer du milieu liquide », souligne Foresti.
Le principal différenciateur du nouveau modèle de réacteur est le biofilm, qui est formé par un processus biologique dans lequel les bactéries créent une sorte de film sur une mousse de polyuréthane. La configuration de l’équipement permet ce que les chercheurs appellent la « contre-diffusion », c’est-à-dire que l’oxygène est inséré du côté opposé aux contaminants.
« L’oxygène sera transporté dans la mousse car il ne reste que là où il est nécessaire pour que la réaction ait lieu. Nous ne voulions pas que ce gaz soit en contact permanent avec la matière organique, car les bactéries consommeraient tout l’oxygène pour le dégrader et il ne resterait plus rien pour consommer les nitrites et les nitrates », explique Garcia. « C’est pourquoi nous mettons l’oxygène de l’autre côté du biofilm. L’idée est que la matière organique atteignant le biofilm du côté opposé peut être oxydée non seulement par l’oxygène, mais aussi par les nitrites et les nitrates.
Selon le chercheur, lorsqu’il n’y a pas d’oxygène entrant dans le réacteur, l’ammoniac reste inchangé. Cependant, lorsqu’il atteint la partie où l’oxygène pénètre, il commence à se transformer en nitrite et en nitrate. « La seule issue passant par le biofilm, les composés traversent cette barrière par diffusion en sens inverse de celui de la matière organique. La rencontre de la matière organique dans le contre-courant crée des conditions optimales pour l’élimination de ces nitrites et nitrates, car il n’y a plus d’oxygène et il y a la matière organique nécessaire à la dénitrification ».
Le climat au Brésil favorise l’utilisation de réacteurs anaérobies
Foresti explique que les réacteurs anaérobies (dans lesquels la matière organique est dégradée par des bactéries qui n’ont pas besoin d’oxygène pour vivre) sont de plus en plus utilisés par les municipalités brésiliennes en raison du climat du pays, plus chaud que celui de l’hémisphère nord.
Les températures élevées permettent une plus grande activité des bactéries pour décomposer la matière organique. En Europe et aux USA c’est l’inverse, car à basse température le processus est différent : la matière organique présente dans la phase liquide, après élimination des boues, est oxydée par un processus aérobie (qui fait intervenir de l’oxygène).
En raison des coûts, selon Foresti, les composés azotés ne sont pas complètement éliminés ici au Brésil et finissent par être rejetés directement dans la nature. « Ce nouveau modèle de réacteur est destiné à développer une deuxième étape pour le traitement des stations d’épuration, plus simple et moins chère, visant les technologies d’avenir et les partenariats ».
Garcia a eu la collaboration de scientifiques du laboratoire du professeur Robert Nerenberg, à l’Université de Notre Dame, dans l’État américain de l’Indiana, où il a été chercheur invité entre 2019 et 2020.
« La différence entre mon projet et le leur est qu’au lieu d’utiliser de la mousse de polyuréthane, ils utilisent une membrane semi-perméable – semblable à une paille remplie d’air à l’intérieur », explique-t-il. « Au contact de l’eau, cette paille laisse passer l’oxygène, mais pas l’eau, et le biofilm se développe collé à cette surface. En d’autres termes, c’est à travers les parois de cette paille que l’oxygène est fourni aux bactéries. L’oxygène vient donc de l’intérieur vers l’extérieur et l’eau fournit l’ammoniac et la matière organique. C’est le même système de contre-diffusion. La différence, c’est qu’ici on utilise un matériau plus simple et moins cher ».
Selon lui, dans le biofilm, la bactérie se développe en adhérant à la surface. « Mais ce ne serait pas un filtre en soi, car il n’offre pas de résistance mécanique au passage d’une particule. En réalité, ce réacteur sert de matériau de support pour que les bactéries se développent et consomment de la matière organique soluble et des composés azotés.
Dans un programme de coopération entre la Société d’assainissement de base de l’État de São Paulo (Sabesp) et la FAPESP, les chercheurs ont l’intention de tester le nouveau modèle avec de véritables eaux usées de la ville de São Carlos, qui ont déjà traversé un réacteur anaérobie au niveau du traitement. installation gérée par le Service autonome d’eau et d’assainissement de São Carlos (SAAE). Des chercheurs de l’Université fédérale de São Carlos (UFSCar) et de l’Instituto Mauá font également partie de ce programme de coopération et développeront d’autres systèmes à tester.
Selon le directeur de recherche de Garcia, cette méthode est la première à utiliser le processus de contre-diffusion de cette manière ici au Brésil. « Cela a prouvé le concept d’eaux usées synthétiques. L’efficacité trouvée avec cette configuration de réacteur était bien supérieure à celle observée dans les recherches précédentes, mais nous devons encore évaluer plusieurs facteurs.
Pour l’instant, la nouvelle configuration a été testée en laboratoire. Les nouveaux projets doivent encore valider l’efficacité, car il n’est pas possible de prédire comment l’équipement se comportera avec de grandes quantités d’effluents. De plus, il est nécessaire de tester le système en utilisant des eaux usées réelles, domestiques et industrielles, puisque, jusque-là, les échantillons étaient des eaux usées synthétiques, préparées par l’équipe elle-même.
« Peut-être devons-nous améliorer la conception et la géométrie. Comment puis-je optimiser cette conception pour avoir plus de surface par volume de réacteur pour la rendre moins chère ? Ce travail fournit la base, les fondements pour continuer à réfléchir sur ce processus et aussi l’outil, qui est le modèle mathématique », conclut Garcia.