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Advanced modelling and control of nitrous oxide emissions from wastewater treatment plants

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La chimie dans le traitement des eaux usées aide à gérer les émissions de gaz à effet de serre

Certaines stations d’épuration des eaux résiduaires émettent des gaz à effet de serre. Des connaissances acquises récemment sur la chimie complexe des stations réelles permettent de contrôler ces émissions.

Changement climatique et Environnement

Les stations d’épuration des eaux usées produisent des gaz à effet de serre. Ce type de stations émettent du méthane, qui est l’un des principaux gaz à effet de serre, ainsi que de l’oxyde nitreux (N2O). Alors que les quantités de N2O sont faibles, à volumes égaux, ce gaz a presque 300 fois l’effet de serre du dioxyde de carbone. Dans le cadre de l’accord de Paris, ces stations doivent réduire leurs émissions et devenir neutres sur le plan climatique. Cela impliquera l’élimination du N2O. Le problème réside dans la complexité des voies de production du N2O et la difficulté de déterminer quels processus du traitement des eaux résiduaires sont concernés. La biologie sous-jacente n’est pas particulièrement difficile, grâce à la mise en place de cultures bactériennes pures dans l’environnement contrôlé du laboratoire. Toutefois, les stations d’épuration des eaux résiduaires se composent d’un mélange complexe et variable de nombreuses espèces bactériennes ayant différents métabolismes. Cette composition affluente fluctuante et la ventilation physique des stations d’épuration des eaux usées compliquent davantage la situation. Par conséquent, comprendre le problème lié au N2O dans des conditions de laboratoire ne se traduit pas nécessairement par des mesures efficaces dans une station réelle.

Le problème du N2O dans des conditions réelles

Le projet AMACONOE, financé par l’UE, a étudié le problème du N2O dans des stations d’épurations des eaux usées afin de contrôler les émissions. L’équipe a compilé la base de données la plus complète du monde de paramètres opérationnels issus de stations à l’échelle réelle, et a mené des analyses avancées en matière de statistiques et de modélisation des processus des données. La taille et la complexité inédites de cette base de données ont permis la réalisation d’analyses qui n’avaient jamais été possibles jusqu’à présent. L’évaluation du modèle a suggéré des améliorations en matière d’exploitation et de conception pour les stations d’épuration des eaux usées. Les chercheurs ont constaté que les bactéries autotrophes oxydant l’ammoniac produisent du N2O pendant les phases de traitement aérobie (oxygéné) de la station, et que du nitrate (NO3) est produit lors des mêmes phases en raison des bactéries oxydant l’azote comme prévu. Plus important encore, l’équipe a découvert que les concentrations élevées de nitrate au début de la phase de traitement anoxique (faible en oxygène) étaient essentielles pour éliminer l’accumulation de N2O dans le liquide. «Nous avons émis l’hypothèse que les organismes hétérotrophes préféreront utiliser le nitrate en premier lieu, et ce sera seulement après l’avoir consommé qu’ils utiliseront et élimineront le N2O liquide», explique le professeur Gürkan Sin, coordinateur du projet. «Ainsi, il est important de gérer à la fois l’activité aérobie et l’activité anoxique au sein de la station afin d’obtenir une exploitation équilibrée.»

Des mesures pratiques de contrôle

Cette situation signifie que les stations d’épuration des eaux usées doivent contrôler attentivement les régimes de ventilation en matière de durée et d’intensité. Le projet a mis au point des technologies pour rendre cela possible. La première d’entre elles consiste en une méthode pour gérer la ventilation pendant la phase aérobie, afin de minimiser le taux de production de N2O en utilisant exactement la quantité appropriée de ventilation. En outre, l’équipe a développé une manière de contrôler l’élimination de N2O pendant la phase anoxique en contrôlant la source externe de carbone. Dans les faits, cela implique l’ajout intermittent d’eaux usées affluentes pendant les phases anoxiques. «De nombreuses stations disposent déjà d’un système de contrôle et d’acquisition de données ou SCADA pour “supervisory control and data acquisition”», ajoute Gürkan Sin. «Qui plus est, certaines stations peuvent avoir des algorithmes ou des technologies de contrôle sophistiqués. Ainsi, nos découvertes peuvent être mises en œuvre à partir de zéro ou en révisant les procédures existantes de contrôle et d’automatisation des stations.» Les exploitants pourront donc analyser leurs stations et choisir la meilleure stratégie pour limiter les émissions de N2O. Les travaux ont abouti à des techniques spécifiques pour réduire la production de N2O pendant le fonctionnement des stations d’épuration d’eaux usées. Pouvoir contrôler ces émissions contribuera à atténuer le changement climatique. Ces recherches ont été entreprises avec le soutien du programme Marie Skłodowska-Curie.

Mots‑clés

AMACONOE, station, N2O, eaux usées, biologie, eaux résiduaires, gaz à effet de serre, oxyde nitreux

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