Exploiter les eaux usées municipales en tant que ressource

Nos eaux usées ne contiennent pas que des saletés et des excréments. Elles contiennent également des matières premières précieuses, telles que l'azote et les composés de carbone organique. Des méthodes chimiques, biologiques et physiques peuvent être utilisées pour récupérer l'hydrogène, l'ammonium et les polyhydroxyalcanoates (PHA). L'ammonium récupéré peut être utilisé comme engrais azoté pour l'agriculture, et les PHA sont la matière première des bioplastiques. Ces processus sont le sujet d'étude des chercheurs travaillant sur le projet KoalAplan. Le travail de recherche interdisciplinaire des partenaires du projet se déroule dans l'installation de recherche sur le traitement des eaux usées exploitée par l'université de Stuttgart à Büsnau. Travaillant dans des conditions réelles, les partenaires testent la manière dont les matières premières peuvent être récupérées dans les stations d'épuration. À cette fin, une bioraffinerie a été mise en place en tant qu'usine pilote. Elle a fonctionné pendant plus de six mois en 2024.

Contourner l'élimination biologique de l'azote

L'une des méthodes établies dans le cadre du projet, la méthode du flux primaire, consiste à traiter les eaux usées après une séparation préalable des solides lors de la clarification primaire. Dans une station d'épuration traditionnelle, l'azote contenu dans les eaux usées est éliminé par voie biologique. Les micro-organismes convertissent les composés azotés en azote gazeux (gaz à effet de serre), qui s'échappe dans l'atmosphère sans avoir été utilisé. Dans le projet KoalAplan, en revanche, l'azote n'est pas perdu. Au contraire, il est récupéré en tant que matière première en éliminant physiquement l'ammonium à l'aide d'un filtre en zéolite ou d'un système d'échange d'ions. L'azote est ensuite récupéré en régénérant le filtre zéolithe, produisant une solution d'ammonium concentrée qui peut être utilisée dans l'agriculture comme engrais azoté.

Récupération du carbone organique à partir des solides présents dans les eaux usées

Dans une station d'épuration municipale traditionnelle, une grande partie des solides présents dans les eaux usées est séparée par sédimentation lors de la clarification primaire. Cette "boue primaire" est fermentée dans une tour de digestion, produisant du méthane. Dans le concept de bioraffinerie, elles subissent plutôt une fermentation obscure, le processus de dégradation étant arrêté au stade de la production d'acides organiques à chaîne courte. Après une séparation solide en deux étapes, un hydrolysat exempt de particules est produit. Cet hydrolysat est riche en acides organiques à chaîne courte et peut être utilisé à diverses fins. Le projet KoalAplan explore ces potentiels, par exemple l'électrolyse microbienne pour la production d'hydrogène et la production microbienne de PHA. "Notre travail au Fraunhofer IGB consistait à utiliser la fermentation pour convertir l'hydrolysat en PHA, un biopolymère bactérien biodégradable et thermoplastique", explique Pravesh Tamang, scientifique principal pour les PHA et chercheur au Fraunhofer IGB.

Hydrolysat acide transformé en PHA

Les PHA sont généralement produits à l'aide de micro-organismes qui peuvent se développer sur un large éventail de substrats différents. Les micro-organismes utilisent l'hydrolysat, riche en acides organiques tels que les acides acétique, propionique et butyrique, comme source de carbone et d'énergie. "Les bactéries ont besoin des acides organiques pour se développer et produire des PHA", explique M. Tamang. Où se situe le problème ? Si ces acides organiques sont présents en trop forte concentration, ils ont des effets toxiques sur les micro-organismes. La première étape pour Tamang et son équipe a donc consisté à identifier des souches de bactéries capables d'utiliser les acides à la fois pour leur propre croissance et pour produire des PHA. "Par rapport aux autres bactéries que nous avons testées, Cupriavidus necator s'est avérée être la bactérie la plus tolérante au contact des acides organiques", explique M. Tamang.

Pour éviter que les acides n'entravent la croissance des micro-organismes, les chercheurs ont également mis au point une méthode de perfusion avec rétention des cellules dans le bioréacteur. La rétention cellulaire s'effectue à l'aide d'un filtre spécial qui garantit que les cellules ou les micro-organismes restent dans le réacteur, ce qui permet d'obtenir une densité cellulaire élevée et une durée de culture plus longue. Tamang explique le processus : "Nous faisons passer le bouillon de fermentation du bioréacteur à travers un filtre à flux croisé, puis nous réintroduisons dans le réacteur les cellules avec les granulés de PHA qui sont retenus dans le filtre. Cette rétention des cellules nous a permis d'introduire des concentrations d'acide variables. Le biopolymère est extrait des cellules bactériennes à la fin de la fermentation".

Un copolymère PHA recherché pour toute une série d'applications

Les chercheurs du Fraunhofer IGB ont pu utiliser leur méthode de perfusion pour empêcher la croissance bactérienne d'être inhibée. Ils ont montré que 97 % du carbone des acides organiques était utilisé par les micro-organismes et converti en biomasse et en PHA. "Notre produit PHA est un copolymère poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalérate), ou PHBV, spécialement ajusté. Par rapport à un homopolymère, il présente des propriétés mécaniques améliorées. En effet, il contient environ 10 % de 3-hydroxyvalérate, ce qui réduit la cristallinité et rend le matériau plus souple, plus facile à façonner et plus polyvalent", explique M. Tamang.

Dans une prochaine étape, Tamang et son équipe prévoient d'optimiser le processus de fermentation pour produire du PHBV avec une concentration de 3-hydroxyvalérate encore plus élevée (40 à 70 %). Ces copolymères de PHBV spécialement adaptés pourront ensuite être utilisés par les chimistes spécialistes des polymères et les experts en applications de l'industrie comme échantillons pour tester les propriétés matérielles du biopolymère et découvrir de nouveaux domaines d'application potentiels. La matière première respectueuse de l'environnement produite par ce processus peut être utilisée de diverses manières - comme emballage à usage unique, film de paillage dans l'agriculture, dans l'industrie pharmaceutique, voire pour des implants médicaux ou des revêtements textiles biosourcés.

La récupération des matières premières contribue à la neutralité climatique

En règle générale, le dioxyde de carbone est produit lorsque le carbone organique est éliminé par une station d'épuration. La méthode mise au point dans le cadre du projet permet de réduire les émissions de ce gaz à effet de serre. "Dans le même temps, nous produisons des matières premières qui contribuent à remplacer les produits à base de pétrole. Ainsi, les stations d'épuration du futur peuvent contribuer de manière importante à la neutralité climatique", explique M. Tamang.

Partenaires du projet :
- Association technique et scientifique allemande pour le gaz et l'eau (Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches, DVGW) centre de recherche de l'Engler-Bunte-Institut de l'Institut de technologie de Karlsruhe (KIT) (coordination, production de l'hydrolysat acide sans particules, production d'hydrogène par électrolyse microbienne)
- Institut Fraunhofer pour l'ingénierie interfaciale et la biotechnologie IGB (production de PHA)
- CUTEC Centre de recherche de Clausthal pour les technologies environnementales de l'Université de technologie de Clausthal, Département d'ingénierie des processus des eaux usées (soutien scientifique et empreinte carbone)
- Université technologique de Hambourg (TUHH), Institut de microbiologie technique (production d'hydrogène par électrolyse microbienne)
- Umwelttechnik BW GmbH, agence publique pour les technologies environnementales et l'efficacité des ressources dans le Bade-Wurtemberg (relations publiques et utilisation des résultats)
- Université de Stuttgart, Institut de génie sanitaire, de qualité de l'eau et de gestion des déchets solides - enseignement et recherche station d'épuration des eaux usées (récupération de l'ammonium)