Un système combiné de pile à combustible microbienne et de filtre biologique aéré par intermittence pour l'autonomie énergétique

Scientific Reports volume 5, Numéro d'article : 18070 (2015) Citer cet article

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L’autosuffisance énergétique est un objectif hautement souhaitable du traitement durable des eaux usées. Ici, un système combiné d’une pile à combustible microbienne et d’un filtre biologique à aération intermittente (MFC-IABF) a été conçu et exploité de manière autosuffisante en énergie. Le système a été alimenté en eaux usées synthétiques (DCO = 1 000 mg L−1) en mode continu pendant plus de 3 mois à température ambiante (~25 °C). La tension de sortie a été augmentée à 5 ± 0,4 V à l'aide d'un circuit basé sur un condensateur. Le MFC produisait de l'électricité pour alimenter les systèmes de pompage et d'aération de l'IABF, éliminant simultanément la DCO. L'IABF fonctionnant en mode d'aération intermittente (taux d'aération de 1 000 ± 80 mL h−1) a éliminé les nutriments résiduels et a amélioré la qualité de l'eau à HRT = 7,2 h. Ce système combiné en deux étapes a obtenu une élimination de 93,9 % de SCOD et de 91,7 % de TCOD (effluent SCOD = 61 mg L−1, TCOD = 82,8 mg L−1). L'analyse énergétique a indiqué que l'unité MFC produisait suffisamment d'énergie (0,27 kWh m−3) pour soutenir le système de pompage (0,014 kWh m−3) et le système d'aération (0,22 kWh m−3). Ces résultats ont démontré que le système combiné MFC-IABF pouvait fonctionner de manière autosuffisante en énergie, produisant ainsi des effluents de haute qualité.

La crise énergétique et la pollution de l’environnement sont deux défis majeurs auxquels le monde est confronté aujourd’hui. La pile à combustible microbienne (MFC) est une technologie naissante mais prometteuse pour aider à relever en partie ces défis1. Il a été largement étudié dans les exoélectrogènes2, les matériaux d’électrodes3, les configurations de réacteurs4, etc. L’une des fonctions principales de la technologie MFC est le traitement des eaux usées. Cependant, les problèmes liés à la qualité des effluents des MFC n’ont pas encore été suffisamment abordés. Le MFC seul n’est peut-être pas une solution réalisable pour répondre à des exigences strictes en matière de qualité des effluents, ce qui nécessite une autre étape telle que l’intégration du MFC avec la technologie membranaire5 ou la technologie de traitement conventionnelle6 pour purifier davantage l’effluent traité. De plus, la production directe d’électricité fait partie intégrante de MFC. Les systèmes MFC typiques sont connus pour générer de l'énergie au niveau du milliwatt (mW), en fonction des caractéristiques de l'influent, de la configuration du réacteur et des paramètres de fonctionnement. Cette production d'énergie faible et instable a constitué un obstacle majeur pour empêcher MFC, en tant que source d'énergie renouvelable, d'accéder au réseau électrique, en termes de kW ou de MW de capacité installée dans la production d'électricité conventionnelle. Ainsi, le manque de responsabilité dans la production d’électricité a attiré davantage d’attention ces dernières années.

Une stratégie possible a été proposée, basée sur l'utilisation in situ de l'électricité produite pour un processus de traitement des eaux usées autonome en énergie avec un système combiné basé sur MFC7. L'énergie potentielle stockée dans les différentes eaux usées est variable, allant de 4,92 à 7,97 kWh kgCOD–1, ce qui dépasse les besoins énergétiques de leur traitement8. Il serait donc intéressant qu’un système basé sur le MFC offre la possibilité de générer suffisamment d’énergie pour un processus de traitement des eaux usées autonome. Dans le passé, un bilan énergétique neutre ou positif a été démontré théoriquement dans le processus de traitement des eaux usées dans de nombreux réacteurs, tels que le bioréacteur à membrane électrochimique9, le réacteur bioélectrochimique à membrane10 et la pile à combustible microbienne à deux étages et le bioréacteur à membrane à lit fluidisé anaérobie11. Cependant, aucun système combiné autosuffisant en énergie basé sur le MFC pour le traitement des eaux usées n’a été réellement exploité.

Pour parvenir à un processus de traitement des eaux usées réellement autonome en énergie avec un système combiné basé sur le MFC, des méthodes efficaces pour augmenter la tension du MFC sont nécessaires. Différentes approches ont été utilisées dans le passé pour augmenter les tensions des MFC. Cela inclut la connexion de plusieurs MFC en série ou l’utilisation d’un convertisseur DC-DC12. L'autre méthode utilisée est l'empilement en série de MFC, bien qu'il se soit révélé inefficace pour augmenter la tension en raison d'une inversion de tension, ce qui peut entraîner une défaillance de l'ensemble du système13. Il a été démontré que le convertisseur DC-DC augmentait efficacement la tension MFC, mais il présentait également des limites liées à un circuit compliqué et à une perte d'énergie substantielle dans le système à double amplification. Cependant, une approche alternative consistant à utiliser un circuit basé sur un condensateur s'est avérée utile pour l'augmentation de l'électricité14. Avec cette méthode, l’énergie électrique était d’abord collectée dans des condensateurs, puis distribuée par intermittence avec une sortie haute tension. Les condensateurs ont été chargés en parallèle et déchargés en série à l'aide de plusieurs MFC, améliorant ainsi la tension de sortie avec une perte d'énergie négligeable12.