FR2947836A1

FR2947836A1 - Unite de production de microalgues couplee aux traitements de dephosphatation biologique des eaux usees

Info

Publication number: FR2947836A1
Application number: FR0903434A
Authority: FR
Inventors: Gabin Anselme Treboux; Rene Duflot; Laurent Bleriot
Original assignee: BIOALGOSTRAL OCEAN INDIEN
Current assignee: BIOALGOSTRAL OCEAN INDIEN
Priority date: 2009-07-10
Filing date: 2009-07-10
Publication date: 2011-01-14
Anticipated expiration: 2029-07-10
Also published as: ZA201200170B; EP2451938A1; WO2011004130A1; FR2947836B1

Abstract

La présente invention concerne une unité de culture de micro-algues comprenant : (a) un module de production dans lequel la culture de micro algues est effectuée, (b) un module de déphosphatation biologique d'eaux usées indépendant du module de production et produisant un effluent liquide, (c) un module de retraitement physico-chimique de l'effluent liquide provenant dudit module de déphosphatation biologique permettant son incorporation dans ledit module de production.

Description

. Les micro algues sont des organismes qui utilisent la lumière comme source d'énergie pour fixer le dioxyde de carbone. Capables de produire des composés chimiques à. haute valeur ajoutée elles représentent un extraordinaire potentiel, industriel ainsi qu'une possible alternative à l'industrie chimique de synthèse. Par exemple, soumises à certaines conditions, les micro algues accumulent le carbone absorbé sous forme de lipides. Ces algues microscopiques sont capables de synthétiser 30 fois plus d'huile à l'hectare que les plantes terrestres oléagineuses utilisées pour la fabrication d'agrocarburants. Leur croissance en suspension dans un milieu aqueux leur permet, en effet, un meilleur accès aux ressources minérales. Ces caractéristiques permettent d'envisager l'utilisation des micro algues pour produire, de façon économiquement viable, des biocarburants. Pour leur croissance, comme pour les végétaux terrestres, les micro algues ont besoin d'éléments minéraux; nitrates, phosphates et oligo éléments. Pour être durable , le procédé de production de micro algues ne peut utiliser de ressources minérales non renouvelables qui limiteraient une production I S de masse ou une production à long terme. En particulier le phosphore est une ressource non renouvelable dont les réserves mondiales répertoriées s'amenuisent et qui représente une matière première essentielle à l'agriculture mondiale. Ainsi, la production de micro algues doit trouver de nouvelles sources de phosphore. Pour ce faire, le procédé, qui fait l'objet de la présente demande, récupère le phosphore, notamment sous forme de phosphate, contenu dans les eaux usées urbaines ou agricoles. En moyenne, les 20 déjections quotidiennes d'un individu représentent environ 1,7 g de phosphore. Les détergents et les résidus alimentaires sont également une source de phosphore. Au total, c'est environ 2 g par jour et par équivalent habitant qui affluent dans les stations d'épuration des eaux usées urbaines. Le centre d'étude des eaux du Royaume-Uni estime qu'environ 143 tonnes de phosphore arrivent chaque jour dans les stations d'épuration du Royaume-Uni Le procédé, qui fait l'objet de la présente demande, permet une production, durable et économiquement viable, de micro algues. Le procédé est basé sur l'utilisation d'une unité de production de micro algues associée à une station d'épuration des eaux usées. Le procédé permet l'extraction d'azote et de phosphore, notamment sous forme de nitrates et de phosphates des eaux usées. Le procédé n'entraine aucune 30 pollution ou dégradation du milieu naturel. Faire consommer les nitrates et les phosphates des eaux usées par des micro algues est une technique connue. Elle a été proposée par le professeur Oswald dans le brevet US4005546 qui présente une technologie d'épuration des eaux usées à partir de micro algues. Cette technologie est opérationnelle mais est, dans la pratique, peu utilisée. Le traitement de l'eau se fait lentement et, si la totalité de l'eau à épurer doit être traitée, elle nécessite l'utilisation de terrain foncier important. Cette technologie aboutit donc sur des unités de production de micro algues qui ne sont pas économiquement viables. 40 L ne autre possibilité serait d'utiliser deux processus indépendants. Le premier processus est la récupération de phosphore sur le site de traitement des eaux usées. Le phosphore récupéré lors du premier processus est transporté jusqu'à l'unité où se fait, dans le deuxième processus, la production de micro algues. Ceci permet de découpler le traitement de l'eau usée et la production de micro algues. La taille de l'unité de production de micro algues n'a plus à s'adapter à la quantité des eaux usées à traiter. 45 Ceci permet de définir des unités de production de micro algues qui sont économiquement plus rentables.

La récupération du phosphore des eaux usées est une technologie aboutie qui est mise en action depuis une dizaine d'année au Canada, au Japon et en Hollande et qui a été proposée, notamment, par messieurs fakeshi Nakamura et co-auteurs dans le brevet JP8155469 (A) et par messieurs Ute Berg et co-auteurs dans le brevet EP1541531 (AI).

toutes les installations, actuellement utilisées sur le marché, fonctionnent sur un schéma technique suivant : Un effluent liquide contenant une haute teneur en phosphore est extrait de la station d'épuration. II peut s'agir d'un effluent liquide sortant d'un bassin de déphosphatation biologique de la station. Le 10 procédé de déphosphatation a été mis au point par le Professeur Barnard et est décrit dans le brevet US5393427 (A). Dans ce processus, des bactéries sont mises en oeuvre dans un cycle alternant phase aérobie et phase anaérobie. Pendant la phase aérobie, le micro organisme puise le phosphore contenu clans l'eau usée et le conserve, à l'intérieur de sa cellule, sous forme de polyphosphates. Lors de la phase anaérobie, le micro organisme excrète ces réserves sous forme de phosphate dans l'eau. Le procédé 15 permet de retirer le phosphore des eaux usées contenu dans le réacteur aérobie et de le concentrer dans l'eau contenue dans le réacteur de la phase anaérobie. De façon standard, pour une eau usée de départ dont la teneur est de I 0 mg/1, la teneur en phosphore du réacteur aérobie est réduite à I mg/I alors que le la teneur en phosphore du réacteur anaérobie est augmenté jusqu'à 200 mg/I. c'est ce contenu, à haute teneur en phosphore, qui est. choisi comme effluent. Néanmoins, l'effluent petit également provenir du 2(1 reliquat liquide obtenu après centrifugation des boues de la station, ou du reliquat liquide d'un digesteur de méthanisation anaérobie, souvent présent dans une station pour traiter les boues.

Quelle que soit la provenance de l'effluent, il est ensuite mis en oeuvre un processus de cristallisation provoquée, de manière à obtenir une déposition du phosphore sous forme de cristaux de magnésium ammonium phosphate (struvite). II est également possible de déposer le phosphore sous la forme de cristaux de phosphate de potassium ou de calcium.

Cette technologie ne convient pas à la production de micro algues car le phosphore est obtenu sous une forme solide impropre à la nutrition des micro algues. Le phosphore doit être redissout dans l'eau avant J(l son utilisation. Ceci entraîne des coûts supplémentaires et ajoute des limitations techniques supplémentaires.

L'invention a donc pour objet une unité de culture de micro algues comprenant : (a) un module de production dans lequel la culture de micro algues est effectuée, (b) un module de déphosphatation biologique d'eaux usées indépendant du module de production et produisant un effluent liquide ayant une concentration de phosphore résultant de tous les composés phosphates solubles supérieure à sa concentration initiale dans les eaux usées, (c) un module de retraitement physico-chimique de l'effluent liquide provenant dudit module de déphosphatation biologique permettant son incorporation dans ledit module de production, 40 ledit module de production contenant au moins une souche de micro algue choisie parmi les souches capables de prélever des matières nutritives inorganiques contenues dans ledit effluent après ledit retraitement physico chimique.

I unité de production de micro algues est associée à une station d'épuration des eaux usées mais la 45 production de micro algues n'est pas liée directement au processus de traitement des eaux usées et, de ce fait, la taille de l'unité de production de micro algues n'a pas à s'adapter à la quantité des eaux usées à traiter et est dimensionner seulement sur des critères de viabilité économique.

Dans un mode de réalisation particulier, le module de production est composé d'un ou plusieurs éléments, 5U identiques ou différents, combinés ou non combinés choisi parmi un étang ouvert; un étang artificiel; un clément fermé en verre permettant le processus de photosynthèse; un élément fermé en matière plastique permettant le processus de photosynthèse.

L'unité de production de micro algues peut consister en un tube plastique transparent, appelé 2947836 J photobioréacteur, contenant une eau douce ou une eau salée et ou se déroulent la croissance et la multiplication des micro algues. Un effluent liquide contenant une haute teneur en phosphore est extrait de la station d'épuration, mais aucune étape de cristallisation provoquée n'est mise en oeuvre et l'extraction de nitrates et de phosphates se fait en conservant, à tout moment, ces nutriments en solution aqueuse.

Dans un mode de réalisation préféré, l'effluent liquide est prélevé du module de déphosphatation lorsque sa concentration de phosphore résultant de tous les composés phosphate solubles est de 5 ou 10 à 100 fois supérieure à sa concentration initiale dans l'eau usée entrant dans le module biologique. L'effluent liquide est ensuite soumis dans le module de retraitement physico-chimique à un traitement permettant de détruire les micro organismes nuisibles à la production de micro algues ou de les séparer de l'effluent.

15 Dans un mode de réalisation particulier, l'effluent est mis dans un réacteur chimique où il est soumis à un processus physico-chimique et à un processus d'hygiénisation qui lui permet d'être utilisé comme nutriment pour la production de micro algues sans entraîner de contamination du milieux de culture des micro algues.

.O I)ans un autre mode de réalisation préférée, le traitement comporte une oxydation dudit effluent par une solution de peroxyde d'hydrogène.

Dans un autre mode de réalisation préférée, pendant ladite oxydation, l'effluent est porté à une température supérieure à 60 degré Celsius pendant une période minimale de 5 minutes.

Dans un autre mode de réalisation préférée, pendant ladite oxydation, le pH de l'effluent est ajusté à l'aide d'un acide.

Dans un autre mode de réalisation particulier, la quantité de l'effluent incorporée par cycle de production 30 de micro algues dans le module de production après le retraitement physico chimique correspond à un olume compris entre 1/1000 et 1/50 du volume total du module de production.

Dans un autre mode de réalisation particulier, la totalité du phosphore consommé par les micro algues lors d'un cycle de production provient uniquement de l'effluent extrait du module de déphosphatation. EXEMPLES

Pour l'ensemble des exemples, 8 photobioréacteurs identiques (photobioréacteur "AQUA MEDIC d'un diamètre de 80 mm, d'une longueur de 80 cm, et d'une contenance 3 litres), tous indépendamment montés 40 sur une même plaque support, sont utilisés.

Chaque photobioréacteur est alimenté par une pompe à air (150 litres/h) munie d'un réservoir de CO2 annexe. Le mélange air/CO2 à 02% alimente le photobioréacteur en continu et forme un système air lift de brassage du milieu de culture. La plaque de support est exposée en extérieur, de telle manière à ce que la lumière naturelle soit uniformément repartie sur l'ensemble des 8 photobioréacteurs.

Exemple I

5O La souche de micro algue Arthrospira Platen.sis est utilisée

l;n effluent liquide, solution 1, est prélevé d'un module biologique de déphosphatation. La solution 1 a une concentration totale de phosphore titrée à 48 mg/I. lO 35 lne solution 2, dite de Conway, est préparée : à un litre d'eau osmosée, sont ajoutés

l eC 13. 6H20 1,3 g MnC12. 4H20 0,36 g 113B03 33,6g Na2-EDTA, 2H20 49,8 g NaH2PO4, 2H20 24,15 g NaNO3 100 g /nCl2 0,021 g 10 COC12, 6H20 0,02 g (NH4)6Mo7024, 4H20 0,01 g CuSO4, 5H20 0,02 g B I (thiamine aneurine hydrochlorite) 0,2 g B12 (cyanocobalamine) 0,01 g 15 Une solution 3, dite de Conway sans phosphate, est préparée: à un litre d'eau osmosée, sont ajoutés l eC 13, 6H20 1,3 g MnC 12. 41120 0,36 g I-13 1303 33.6g 20 Na2-EDTA, 2H20 49,8 g NaNO3 100 g lnC 12 0,021 g COC 12, 6H20 0,02 g (NH4)6Mo7024. 4H20 0,01 g CuSO4. 51-120 0,02 g 13I (thiamine hydrochlorite) 0,2 g 1312 (cyanocobalamine) 0,01 g

I litre d'effluent est utilisé pour préparer les solutions 4, 5 et 6 respectivement. La solution 4 est soumise à un traitement physico chimique consistant en un filtrage par charbon actif (cartridge [,heim 2208-2212). 30 La solution 5 est soumise à un traitement physico chimique consistant en un filtrage par charbon actif (cartridge Eheim 2208-2212), est portée à une température de 40 degrés Celsius pendant 3 minutes, soumise à une oxydation par 1-1202 (titrage 0.02% volume). La solution 6 est soumise à un traitement physico chimique consistant en un filtrage par charbon actif (cartridge Eheim 2208-2212), est portée à une température de 70 degrés Celsius pendant 8 minutes. soumise à une oxydation par H2O2 (titrage 0.002% volume).

Une solution CO est préparée en mélangeant 100 ml d'eau osmosée et 1 ml de solution 2. 10 Une solution Cl est préparée en mélangeant 100 ml de solution 1 et 1 ml de solution 3. Une solution C2 est préparée en mélangeant 100 ml de solution 4 et 1 ml de solution 3. Une solution C3 est préparée en mélangeant 100 ml de solution 5 et I ml de solution 3. Une solution C4 est préparée en mélangeant 100 ml de solution 6 et 1 ml de solution 3. Une solution C5 est préparée en mélangeant 50 ml d'eau osmosée, 50 ml de solution 4, 0.5 ml de solution 15 3 et 0.5 ml de solution 2. Une solution C6 est préparée en mélangeant 50 ml d'eau osmosée, 50 ml de solution 5, 0.5 ml de solution 3 et 0.5 ml de solution 2. l; ne solution C7 est préparée en mélangeant 50 ml d'eau osmosée, 50 ml de solution 6, 0.5 ml de solution 3 et 0.5 ml de solution 2. 20 L.a solution CO, Cl, C2, C3, C4, C5, C6, C7 est utilisée pour la nutrition des micro algues, dans le photobioréacteur 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, et 7 respectivement. 10 essais de cultures sont effectués et la récolte des micro algues est effectuée tous les 2 jours ou 3 jours en fonction des conditions climatiques. Les 8 photobioréacteurs sont soumis aux mêmes conditions 25 climatiques. Un nouveau batch de solutions est préparé pour chaque essai. I es micro algues sont séparées par centrifugation et séchées. Prenant la masse sèche obtenue dans le photobioréacteur 0 comme référence, et utilisant la moyenne obtenue sur les 10 essais, le résultat du photobioréacteur 1, 2, 3, 4, 5. 6 et 7 est 12%, 92%, 61%, 97%. 92%, 69% et 97% respectivement. Les résultats montrent que la présente unité de production de micro algue permet l'utilisation du _30 phosphate contenu dans l'effluent provenant du module biologique pour la nutrition des micro algues. La filtration de l'effluent par charbon actif est nécessaire pour éviter l'apparition de contamination de la culture. L'oxydation par 1-1202 améliore l'aseptisation de l'effluent, il est néanmoins nécessaire de s'assurer que peu de H2O2 résiduel soit introduit dans le photobioréacteur.

Exemple 2.

La souche de micro algue dunaliella tertiolecta (référence AC148-144 algobank - université de Caen) est choisie pour l'exemple 2. Un effluent liquide, solution 1, est prélevé d'un module biologique de déphosphatation. La solution 1 a 40 une concentration totale de phosphore titrée à 435 mg/I.

fine solution 2, dite de Conway, est préparée : à un litre d'eau osmosée, sont ajoutés I eC13, 6H2O 1,3 g MnC 12. 4H2O 0,36 g 45 H3 B03 33,6 g Na2-LDTA, 2H20 49,8 g Nal-12PO4, 2H2O 21,9 g NaNO3 100 g ZnCl2 0.021 g 50 COC 12, 6H2O 0,02 g (NH4)6Mo7O24, 4H2O 0,01 g CuSO4, 5H2O 0,02 g 131 (thiamine aneurine hydrochlorite) 0,2 g BI 2 (cyanocobalamine) 0,01 g.

Une solution 3, dite de Conway sans phosphate, est préparée: à un litre d'eau osmosée, sont ajoutés 1 cC 13, 6H2O 1,3 g MnCl2, 4H2O 0,36 g 1131303 33,6g l O Nat-EDT'A, 2H2O 49,8 g NaNO3 100 g ZnC 12 0.021 g COCl2. 6H2O 0,02 g (NH4)6Mo7024, 4H2O 0,01 g 15 CuSO4, 5H2O 0,02 g 13 1 (thiamine hydrochlorite) 0,2 g 1312 (cyanocobalamine) 0,01 g

I litre d'effluent est utilisé pour préparer les solutions 4, 5 et 6 respectivement. 1.a solution 4 est soumise à un traitement physico chimique consistant en un filtrage par charbon actif (cartridge Eheim 2208-2212). La solution 5 est soumise à un traitement physico chimique consistant en un filtrage par charbon actif (cartridge Eheim 2208-2212), est portée à une température de 40 degrés Celsius pendant 3 minutes. soumise à une oxydation par H2O2 (titrage 0.002% volume). La solution 6 est soumise à un traitement physico chimique consistant en un filtrage par charbon actif (cartridge Eheim 2208-2212), est portée à une température de 60 degrés Celsius pendant 8 minutes, soumise à une oxydation par 1-1202 (titrage 0.001% volume).

30 t ne solution CO est préparée en mélangeant 100 ml d'eau osmosée et 10 ml de solution 2. Inc solution Cl est préparée en mélangeant 100 ml de solution 1 et 10 ml de solution 3. Une solution C2 est préparée en mélangeant 100 ml de solution 4 et 10 ml de solution 3. Une solution C3 est préparée en mélangeant 100 ml de solution 5 et 10 ml de solution 3. ( ne solution C4 est préparée en mélangeant 100 ml de solution 6 et 10 ml de solution 3. 35 Une solution C5 est préparée en mélangeant 50 ml d'eau osmosée, 50 ml de solution 4, 5 ml de solution 3 et 5 ml de solution 2. lne solution C6 est préparée en mélangeant 50 ml d'eau osmosée, 50 ml de solution 5, 5 ml de solution 3 et 5 ml de solution 2. Une solution C7 est préparée en mélangeant 50 ml d'eau osmosée, 50 ml de solution 6, 5 ml de solution 3 40 et 5 ml de solution 2.

La solution CO, Cl, C2, C3, C4, C5, C6, C7 est utilisée pour la nutrition des micro algues. dans le photobioréacteur 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, et 7 respectivement. 10 ml de solution sont utilisés par essai. 10 essais de cultures sont effectués et la récolte des micro algues est effectuée tous les 2 jours ou 3 jours en 45 !Onction des conditions climatiques. Les 8 photobioréacteurs sont soumis aux mêmes conditions climatiques. Les micro algues sont séparées par centrifugation et séchées. Prenant la masse sèche obtenue dans le photobioréacteur' 0 comme référence, et utilisant la moyenne obtenue sur les 10 essais. le résultat du photobioréacteur 1, 2. 3, 4, 5, 6 et 7 est 6%. 89%, 66%. 91%, 92%. 79% et 92% respectivement. Il 50 apparaît des notes de relevé de pli, qu'un pH acide améliore la culture de cette souche de micro algue. Les résultats montrent que la présente unité de production permet l'utilisation du phosphate contenu dans l'effluent provenant du module biologique pour la nutrition de micro algues. La filtration de 6 20 l'effluent par charbon actif est nécessaire pour éviter l'apparition de contamination de la culture. L'oxydation par H202 améliore l'aseptisation de l'effluent, il est néanmoins nécessaire de s'assurer que peu de H202 résiduel soit introduit dans le photobioréacteur.

Claims

REVENDICATIONS1. Unité de culture de micro algues comprenant : (a) un module de production dans lequel la culture de micro algues est effectuée (h) un module de déphosphatation biologique d'eaux usées indépendant du module de production et produisant un effluent liquide enrichi en phosphore, (c) un module de retraitement physico-chimique de l'effluent liquide provenant dudit module de déphosphatation biologique permettant son incorporation dans ledit module de production, ledit module de production contenant au moins une souche de micro algue choisie parmi les souches capables de prélever des matières nutritives inorganiques contenues dans ledit effluent après ledit retraitement physico chimique.
2. Unité selon la revendication 1, caractérisée en ce que le module de production est composé d'un ou plusieurs éléments, identiques ou différents, combinés ou non combinés choisis parmi un étang ouvert; un étang artificiel; un élément fermé en verre permettant le processus de photosynthèse; un élément fermé en matière plastique permettant le processus de photosynthèse.
3. Unité selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'effluent liquide est prélevé dudit module de déphosphatation lorsque sa concentration de phosphore résultant de tous les composés phosphate solubles est de 5 à 100 fois supérieure à sa concentration initiale dans l'eau usée entrant dans ledit module biologique. Unité selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit effluent liquide est soumis dans ledit module de retraitement physico-chimique à un traitement permettant de détruire les micro organismes nuisibles à la production de micro algues ou de les séparer de l'effluent. 5. Unité selon la revendication 4, caractérisée en ce que le traitement comporte une oxydation dudit effluent par une solution de peroxyde d'hydrogène. 6. Unité selon la revendication 5, caractérisée en ce que pendant ladite oxydation, ledit effluent est porté à une température supérieure à 60 degré Celsius pendant une période minimale de 5 minutes. Unité selon la revendication 5 ou 6, caractérisée en ce que, pendant ladite oxydation, le pH dudit effluent est ajusté à l'aide d'un acide. 8. Unité selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la quantité dudit effluent incorporée par cycle de production de micro algues dans ledit module de production après ledit retraitement physico chimique correspond à un volume compris entre 1/1000 et 1/50 du volume 40 total du module de production. Unité selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la totalité du phosphore consommé par les micro algues lors d'un cycle de production provient uniquement dudit effluent extrait dudit module de déphosphatation. 8 5 ;0