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Microbial Desalination for Low Energy Drinking Water

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Mettre les bactéries au cœur du processus de dessalement

La rareté de l’eau constitue un problème majeur dans certaines régions, qui n’aura cesse de s’aggraver avec le changement climatique. Le dessalement et la réutilisation de l’eau peuvent faire la différence, mais les technologies de dessalement actuelles consomment de grandes quantités d’énergie.

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Le projet MIDES, financé par l’UE, a relevé ce défi en développant et en exploitant le premier démonstrateur industriel au monde d’une technologie révolutionnaire reposant sur les cellules microbiennes de dessalement (CMD). «Nous avons utilisé les CMD comme prétraitement pour l’osmose inverse (OI), ce qui permet de séparer le sel et de traiter l’eau simultanément», déclare le coordinateur du projet, Frank Rogalla. L’osmose inverse représente la méthode de dessalement la plus largement appliquée; cependant, elle utilise une pression élevée qui nécessite au moins 3 kWh/m3 d’eau de mer, alors que d’autres technologies en nécessitent encore plus. Afin de surmonter cette limitation, les CMD se combinent à l’OI pour le traitement des eaux usées et la production de l’énergie nécessaire au processus de dessalement. Les CMD utilisent des bactéries bioélectroactives spécifiques, appelées Geobacter, pour transformer l’énergie contenue dans la matière organique présente dans les eaux usées en énergie électrique. La différence de potentiel créée entre les électrodes provoque la séparation des sels à travers les membranes d’échange ionique, ce qui permet de dessaler l’eau de mer et l’eau saumâtre sans apport d’énergie extérieur. «Cela conduit à réduire les besoins en électricité d’au moins un ordre de grandeur par rapport au dessalement classique par osmose inverse», explique Frank Rogalla.

Du laboratoire à l’usine pilote

Les partenaires du projet ont surmonté les limites actuelles de la technologie CMD, telles que le faible taux de dessalement, le coût de fabrication élevé et les problèmes d’encrassement et d’entartrage des membranes, et ont optimisé le processus électrochimique microbien. Cela a été rendu possible grâce à un processus exhaustif de mise à l’échelle impliquant de nouvelles membranes échangeuses d’ions anti-salissures et de nouvelles électrodes à base de carbone. Les chercheurs ont adopté une approche d’économie circulaire pour les CMD en utilisant des plastiques recyclés pour configurer les cellules et la pile. Ils ont également conçu des modèles de simulation mathématique reposant sur les résultats expérimentaux des étapes de laboratoire, de pré-pilote et de pilote du projet afin d’optimiser le processus. En outre, de nouveaux paramètres opérationnels et protocoles de nettoyage des membranes ont été mis en œuvre pour améliorer les réactions bioélectriques. Après une mise à l’échelle réussie, MIDES a conçu et construit deux prototypes de CMD, chacun comprenant un paquet de 15 unités de CMD avec une surface totale de 0,4 m2 par unité. «Les deux prototypes peuvent traiter des milliers de litres d’eau saumâtre et d’eau de mer par jour avec une très faible consommation d’énergie», révèle Frank Rogalla. La première installation pilote MIDES, à Dénia en Espagne, a couvert le prétraitement des eaux saumâtres et des eaux usées, les CMD et l’OI basse pression. Le second site, situé sur l’île espagnole de Ténériffe, a utilisé les CMD pour effectuer un dessalement partiel de l’eau de mer et l’OI pour un post-traitement subséquent afin d’obtenir de l’eau potable à partir de l’eau de mer sans utiliser d’énergie externe.

Des bénéfices pour les communautés rurales et urbaines

En développant un système combiné de dessalement de l’eau et de traitement des eaux usées, MIDES offre une solution pour faciliter l’accès à l’eau potable à faible coût, conformément aux réglementations nationales et européennes. Le projet pourrait également permettre de réutiliser des eaux usées traitées pour l’irrigation et les applications agricoles, allégeant ainsi la pression sur les ressources actuelles. MIDES ouvre la voie à des installations décentralisées de plus petite capacité, qui purifient les eaux usées avec un bilan énergétique positif. Cela signifie qu’avec l’aide des CMD, cette technologie peut être mise en œuvre dans des sites industriels, des exploitations agricoles et des communautés rurales éloignées, dont l’alimentation électrique est limitée. En outre, MIDES devrait profiter aux sites côtiers en leur permettant de s’équiper de stations d’épuration complètes qui produisent de l’électricité et dessalent l’eau dans le cadre de systèmes de gestion et de contrôle intelligents. «Le succès de MIDES est très significatif car les niveaux de population augmentent, en particulier dans les zones côtières, et des stratégies sont nécessaires de toute urgence pour fournir à chacun une eau potable durable, abordable et de qualité», conclut Frank Rogalla.

Mots‑clés

MIDES, CMD, dessalement, eaux usées, OI, cellule microbienne de dessalement, osmose inverse, Geobacter

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