Durabilité des productions microalgales par recyclage du phosphore et de l'azote des eaux résiduaires : vers la station d'épuration du futur – Phycover

En partant du patrimoine existant des installations d’assainissement rurales de types lagunage naturel, les procédés peuvent être modifiés pour augmenter la population algale et améliorer les échanges gazeux pour accélérer la consommation du carbone et la transformation de l’azote. Ainsi, avec peu de modifications et une exploitation simple, des performances proches de celles d’une boue activée peuvent être possibles. La coagulation associée à la décantation et à un filtre planté de roseaux permet de compléter le traitement par l’élimination du phosphore et du particulaire. Cette filière permet d’intensifier le traitement et ainsi améliorer le rejet et augmenter les capacités de traitement. La modélisation des interactions entre les organismes qui se développent dans les bassins extensifs permet de proposer des scenarios d’optimisation et de gestion du procédé.
En fonction de la filière de traitement des boues, les digestats peuvent présenter des qualités nutritionnelles adaptées pour optimiser la croissance de microalgues à forte valeur ajoutée. Ainsi, ils peuvent servir de nouvelles ressources en macro et micronutriments et perdre leur statut de déchet pour devenir une ressource.

Lors d’un lagunage à haut rendement algal, les microalgues apportent naturellement l’oxygène indispensable aux bactéries présentes, réduisant drastiquement la consommation énergétique habituelle des stations d’épuration. Ceci étant, le développement d’une telle technologie se heurte à la variabilité de l’efficacité d’assainissement liée aux conditions climatiques, à la nature même des eaux à traiter et à la présence de prédateurs.
Les digestats se sont avérés être une source de macronutriment et micronutriments (métaux) pertinente pour le développement de microalgues d’intérêt commercial. Ainsi, les digestats ne sont pas qu’une source alternative permettant de valoriser des déchets, ce sont également des opportunités pour augmenter la productivité des cultures et favoriser la rentabilité économique de la filière.

Les limites de la filière de traitement des eaux usées par des microalgues sont liées à la présence non maitrisée de prédateurs, au fragile équilibre entre les bactéries et les microalgues et aux faibles températures hivernales qui nécessitent de développer de nouvelles solutions technologiques. Par ailleurs, le digestat est un produit qui pourrait rapidement être mis à disposition des producteurs de microalgues. Il faudrait pour se faire normaliser les procédés, ce qui peut être coûteux et long. Les perspectives d’innovation et des cadres réglementaires moins restrictifs permettent d’envisager un développement rapide pour montrer par le retour d’expérience l’innocuité d’une telle démarche et son intérêt économique et sociétal.

A ce jour, les résultats obtenus au cours du projet ont fait l’objet de 28 articles publiés ou soumis dans des journaux internationaux à comité de lecture, 13 communications dans des congrès internationaux, 5 communications dans des colloques nationaux, 2 thèses de doctorat, 8 stages de Master et d’apprentissage en Licence Pro. Aucun brevet n’a été déposé dans le cadre du projet.

L’objectif global du projet PHYCOVER est de poser les bases scientifiques, techniques et industrielles d’une évolution de la filière épuration des effluents issus des activités anthropiques et des effluents urbains en particulier. Le projet a pour objectif d’identifier un procédé modulaire intégré de traitements des effluents d’origine urbaine pour la production de biogaz tout en identifiant les possibilités de valorisation optimale de la matière résiduelle, le digestat. Le procédé combinera trois modules. Tout d’abord une lagune algale à haut rendement à vocation épuratoire des eaux usées urbaines. Puis, un fermenteur anaérobie capable de co-digérer la biomasse produite (et d’autres gisements mobilisables) de manière à réduire significativement les contaminants biologiques et chimiques tout en produisant un vecteur énergétique d’intérêt. Enfin, un dernier module vise à valoriser le digestat vers les filières agricoles (engrais organique et minéral) et des cultures de microalgues à destination de l’aquaculture et de la chimie verte. La plupart des études récentes mettent en effet en avant la nécessité de combiner une production de microalgues au traitement d’effluents liquides et gazeux pour faire chuter les coûts et limiter les apports exogènes en azote, phosphore et CO2. Néanmoins, il n’existe actuellement aucune solution technologique optimisée pour combiner épuration de l’eau et production de microalgues, tout en respectant les normes de rejet. En outre, il est important de maitriser le devenir des pathogènes présents dans des eaux résiduaires urbaines afin que les rejets ou les voies de valorisation de la matière satisfassent aux contraintes réglementaires associées. Enfin, les émissions biotiques et abiotiques potentielles vers l’atmosphère associées au déploiement des cultures de masses doivent être mesurées pour évaluer leurs impacts par des approches de type « Analyse de Cycle de Vie ». Ceci étant, afin d’évaluer l’efficacité épuratoire et énergétique d’un tel système et d’en identifier un design optimal, il est nécessaire de lever un certain nombre de verrous scientifiques et technologiques. Ainsi, la sélection de communautés algales démontrant une forte capacité épuratoire aux effluents et une résilience de leur productivité vis-à-vis des fluctuations de l’environnement sera réalisée dans la Tâche 1 et étudié en système ouvert, représentatif des possibilités industrielles de l’épuration d’effluents et de la méthanisation. L’étude spécifique des émissions biotiques et abiotiques vers l’atmosphère ainsi que l’évaluation des performances sanitaires du procédé intégré sera l’objet des travaux conduits en Tâche 2. La gestion de la matière organique et des gisements mobilisables vers la digestion anaérobie sera abordée dans la Tâche 3. Les modes de gestion et les opportunités de valorisation du digestat, engrais minéral, et des microalgues pour la chimie verte seront étudiés en Tâche 4. L’évaluation et la prédiction des performances globales en termes environnementaux et énergétiques, et des flux associés seront effectuées dans la Tâche 5, et conduiront au design d’un procédé composite optimal. Enfin, une évaluation technico-économique et environnementale de la filière dans son ensemble est proposée dans la Tâche 6. A terme, le projet PHYCOVER proposera tous les éléments scientifiques, techniques et économiques pour la mise en place d’une filière innovante et optimisée de traitement des eaux résiduaires urbaines.