BIOTECHNOLOGIES
Ville de Laichevo (Tatarstan) est devenue l’un des premiers sites pour l’introduction de nouvelles technologies.
TECHNOLOGIES DES ONDULATIONSDANS LE TRAITEMENT BIOLOGIQUE DES EAUX USÉES
Technologie biochimique, qui permet de réduire les coûts de traitement des eaux usées, a été créée et testée au Tatarstan. 42
janvier-février 2020 The Chemical Journal
BIOTECHNOLOGIES
Rafinat Iarullin, directeur général de SA «Tatneftekhiminvest-holding» Sergeï Ouglovskiï, directeur général de SARL «NPO Kinematika»
L
a production chimique est une source constante des eaux usées. Chaque année, les exigences pour le traitement des eaux usées deviennent de plus en plus strictes partout dans le monde et en Russie en particulier. En même temps, selon la revue water-magazine.ru, environ 80% des stations d’épuration en Russie — à la fois industrielles et urbaines — sont obsolètes moralement ou physiquement, elles ne supportent pas la charge, ne répondent pas aux exigences de qualité en matière de traitement des eaux usées et doivent être reconstruites. Cependant, le coût de la reconstruction d’une seule station atteint des centaines de millions ou plusieurs milliards de roubles. L’étape la plus importante du processus de traitement est une station d’épuration
biologique qui est présente dans chaque grande ville et dans chaque entreprise.
Boue activée La boue activée est la biocénose d’amas zoogéniques (colonies) de bactéries, de vers de terre et d’organismes protozoaires impliqués dans le traitement des eaux usées. La méthode d’épuration biologique visant à éliminer les substances organiques, y compris les composés azotés et phosphoriques, a été inventée au Royaume-Uni en 1913. Elle était basée sur la capacité de certains micro-organismes dans certaines conditions à utiliser les polluants comme milieu nutritif. De nombreux micro-organismes qui composent la boue activée des stations d’épuration biologiques, étant dans le liquide des
eaux usées, absorbent les contaminants à l’intérieur de la cellule, où les substances sous l’influence des enzymes subissent des transformations biochimiques. Dans ce cas, les contaminants organiques et certains types de contaminants inorganiques sont utilisés par la cellule bactérienne en deux manières: 1. oxydation biologique en présence d’oxygène à des produits inoffensifs de dioxyde de carbone et d’eau : Substance organique + O₂ (en présence d’enzymes) СО2 + Н2О + Q. L’énergie libérée dans ce cas est utilisée par la cellule pour assurer son activité vitale (mouvement, respiration, reproduction, etc.). 2. synthèse d’une nouvelle cellule (reproduction) : Substance organique + N + P + Q (en présence d’enzymes) ⇒ NOUVELLE CELLULE.
Figure 1. Types de microorganismes protozoaires de la boue activée.
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BIOTECHNOLOGIES L’intensité et la profondeur des processus dépendent de la composition qualitative de la boue active, de la diversité des formes et des types de micro-organismes, de la capacité de leur adaptation à une composition spécifique de contaminants des eaux usées et des conditions des processus.
Étapes de traitement L’épuration biologique est effectuée en plusieurs étapes : • stade anaérobie; • stade anoxydique (dénitrification); • stade aérobie; • décantation dans le puisard intermédiaire; • traitement biologique profond avec l’utilisation des micro-organismes immobilisés sur l’agent-porteur; • séparation du mélange d’eau-boue dans le puisard final; • déshydratation des boues; • séchage des boues. La première étape du traitement a lieu dans la zone anaérobie, où le mélange d’eau-
souvent des impuretés spécifiques, parfois des substances toxiques et radioactives nocives. Les eaux usées spécifiquement contaminées ont une incidence sur la formation de biotes dits «aborigènes «qui survivent et fonctionnent précisément dans ces stations de traitement des eaux usées et sont susceptibles d’être moins efficaces sur d’autres stations de traitement biologique.
électromagnétiques formés par le champ externe de la cellule avec des longueurs d’onde comprises entre 200 et 1000 nm. Un des types de communication intercellulaire du biote se produit au moyen de signaux électromagnétiques formés par le champ externe de la cellule avec des longueurs d’onde entre 200 et 1000 nm. Dans le cas d’une cellule endommagée, le signal devient perturbé, ce que nous observons sur toutes les stations d’épuration Méthode des ondulations biologiques industrielles. Cette perturbation entraîne une diminution de la producd’information tivité des boues activées. L’objectif principal des recherches visant Avec le complexe organique créé par à améliorer les performances économiques «NPO Kinematika» le signal déformé peut des stations d’épuration biologiques était de être corrigé pour devenir «normale» ou être produire des micro-organismes avec des ca- bloqué. ractéristiques élevées, résistants aux milieux Il est important de noter que dans tous agressifs. les cas, les échantillons initiaux de boues Au cours des années, «NPO Kinematika» actives, qui ont été modifiées, ont été pré(Tatarstan) s’occupait des recherches dans le levés précisément des stations d’épuration domaine de la modification des boues acti- biologique où la génération «améliorée» a vés. Elle a développé une nouvelle technolo- continué à fonctionner. gie pour influencer les micro-organismes et Mise en application les transférer dans l’environnement naturel.
La méthode des ondulations d’information permet d’ajouter de la boue active une seule fois : les micro-organismes introduits ne réduisent pas leur activité au fil du temps. boue de recirculation de la partie du précipité des puisards intermédiaires et finaux est également canalisé. Avant que les eaux usées ne pénètrent dans l’unité de traitement biologique, les grosses particules en suspension sont éliminées. Pour ce faire, des grilles et des dessableurs sont utilisés. Le débit des grilles est déterminé par la taille des trous. Le dépôt d’une partie des particules se produit dans les dessableurs sous l’influence des forces centrifuges du mouvement circulaire de l’eau. Dans la plupart des cas, après la déshydratation mécanique, les sédiments avec un poursantage d’humidité de 80–85% sont soumis à un traitement ultérieur: compostage, désinfection, traitement thermique. Après séchage, le précipité est utilisé comme engrais, matériau de construction ou carburant alternatif.
Biote autochtone Au cours de la production industrielle, il y a trois sources de la formation des eaux usées: des processus technologiques, le personnel et la fonte des neiges et des précipitations sur le site industriel. Les eaux usées industrielles sont contaminés par des substances d’origine minérale, organique et bactériologique, contiennent 44
Les études ont été menées sur une base factuelle étendue. La technologie a été testée sur plusieurs stations pendant trois ans. Un impact économique considérable a été démontré pendant les tests. La technologie travaille avec le niveau moléculaire pour créer de l’impact sur la cellule (génome) sans application de modifications génétiques. Cette nouvelle technologie a porté à un niveau qualitativement nouveau la capacité des micro-organismes à s’adapter et à réagir aux effets des milieux, et a également considérablement augmenté leur capacité de reproduction.
La méthode des ondulations d’information a été utilisée pour le traitement biologique et l’élimination des eaux usées sur la station de SA «Vysokogorskie kommounalnye seti» et sur les installations de traitement biologique à la ville de Laichevo. L’objectif est de traiter et d’éliminer les eaux usées industrielles et domestiques avec une efficacité et une profondeur de traitement élevées, ainsi que d’évaluer la possibilité d’augmenter la charge sur les stations d’épuration biologiques sans investissement supplémentaire. Selon le programme, le délai de travail était 12 mois. Les micro-organismes «autochtones» récupérés grace à la méthode des ondulations d’information ont été développés dans des bioréacteurs, puis introduits dans des stations d’épuration biologiques. Dans le cadre de la première phase du
La technologie montre une amélioration des indicateurs comme la consommation biologique d’oxygène (cinq jours) – 6 fois, les produits pétroliers – 4 fois, les nitrates – 30 fois, la turbidité – 10 fois. La technologie est basée sur un complexe organique créé – avec l’utilisation d’une méthode des ondulations d’information, – qui, lorsqu’il pénètre dans l’espace intercellulaire, agit comme un générateur, un modulateur et un amplificateur de biofréquence, ce qui entraîne des modifications des réactions énergétiques et la création d’un «ordre» des structures biologiquement actives. Un type de communication intercellulaire du biote se produit au moyen de signaux
programme, un certain nombre de travaux de recherche ont été réalisés pour isoler les micro-organismes «autochtones» et restaurer leur génome, ce qui a permis d’augmenter considérablement l’activité des micro-organismes. La qualité des installations de traitement des eaux usées est surveillée en continu depuis le 20 mai 2019. Depuis le 30 mai 2019, 3988 kg de liquide de culture ont été introduits dans les janvier-février 2020 The Chemical Journal
BIOTECHNOLOGIES
Réservoir 1
Réservoir 2
AVANT
APRÈS
De gauche à droite : nous observons la colonisation des réservoirs par des bactéries de boues modifiées, qui se révèlent être «plus fortes» que les bactéries d’origine et déplacent la population parentale. Les nouvelles bactéries détruisent progressivement les dépôts accumulés pendant une longue période et les parois des réservoirs deviennent parfaitement propres.
Figure 2. L’impact de la technologie sur la croissance et le développement des micro-organismes sur les stations d’épuration. Figure 3. Résidus de boues séchées avant et après l’application de la méthode des ondulations d’information.
À gauche: de la boue séchée excédentaire. Traditionnellement, la boue excédentaire est pompée sur le site spécialisé, séchée et stockée. Elle est toxique et ne peut pas être introduite dans le sol. Les volumes accumulés de boues excédentaires sont traités avec succès par des bactéries modifiées, après quoi le résidu dispersé purifié (à droite) peut être utilisé comme engrais. Pendant le traitement par les bactéries, le volume de boues excédentaires est réduit de 70%.
installations de traitement des eaux usées biologiques de SA «Vysokogorskie kom- population parentale et le vieux biote a été de SA «Vysokogorskie kommounalnye seti» mounalnye seti». supplanté par des descendants plus efficaces. ; depuis le 26 juillet 2019, 1260 kg de liquide Cependant, la nouvelle population augde culture ont été introduits dans les instal- Efficacité de la technologie mente progressivement et la période de lations de traitement biologique de la ville «capture du territoire» par de nouveaux orAvant l’avènement de la nouvelle technolo- ganismes modifiés dure 6–7 mois. de Laichevo. Le 25 octobre 2019, des micro-orga- gie, des dépôts de polluants durcis ont été acPendant ce temps, on voit un traitenismes actifs d’un volume de 500 kg sont cumulés partout sur les stations d’épuration ment complet des contaminants accumulés introduits dans les stations d’épuration à biote autochtone. auparavant. Dans chacun des projets liés à la mise Ensuite, la biocénose créée commence à trad’Innopolis. La dynamique des changements sur les trois sites est présentée par en œuvre de la méthode, les organismes vailler avec les contaminations actuelles, ce exemple des installations de traitement modifiés se sont révélés plus forts que la qui se reflète sur le graphique d’observation The Chemical Journal janvier-février 2020
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2,5 2,4 2,3 2,2 2,1 2,0 1,9 1,8 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0
20.05.2019 21.05.2019 23.05.2019 24.05.2019 26.05.2019 27.05.2019 29.05.2019 30.05.2019 01.06.2019 02.06.2019 04.06.2019 05.06.2019 07.06.2019 09.06.2019 11.06.2019 12.06.2019 14.06.2019 15.06.2019 17.06.2019 19.06.2019 21.06.2019 23.06.2019 25.06.2019 26.06.2019 28.06.2019 01.06.2019 02.07.2019 04.07.2019 05.07.2019 08.07.2019 10.07.2019 12.07.2019 14.07.2019 17.07.2019 18.07.2019 21.07.2019 23.07.2019 26.07.2019 29.07.2019 31.07.2019 01.08.2019 03.08.2019 06.08.2019 09.08.2019 12.08.2019 16.08.2019 22.08.2019 28.08.2019 03.09.2019 09.09.2019 15.09.2019 23.09.2019 30.09.2019 09.10.2019 18.10.2019 25.10.2019 01.11.2019 11.11.2019 18.11.2019 25.11.2019 02.12.2019 09.12.2019 20.05.2019 21.05.2019 23.05.2019 24.05.2019 26.05.2019 27.05.2019 29.05.2019 30.05.2019 01.06.2019 02.06.2019 04.06.2019 05.06.2019 07.06.2019 09.06.2019 11.06.2019 12.06.2019 14.06.2019 15.06.2019 17.06.2019 19.06.2019 21.06.2019 23.06.2019 25.06.2019 26.06.2019 28.06.2019 01.06.2019 02.07.2019 04.07.2019 05.07.2019 08.07.2019 10.07.2019 12.07.2019 14.07.2019 17.07.2019 18.07.2019 21.07.2019 23.07.2019 26.07.2019 29.07.2019 31.07.2019 01.08.2019 03.08.2019 06.08.2019 09.08.2019 12.08.2019 16.08.2019 22.08.2019 28.08.2019 03.09.2019 09.09.2019 15.09.2019 23.09.2019 30.09.2019 27.11.2019 04.12.2019 11.12.2019
215,0
205,0
80,00
70,00
50,00
40,00
Avant l'ajout
195,0
185,0
175,0
165,0
155,0
145,0
Après 6 mois de l’ajout des boues actives modifiées, l’eau est devenue complètement transparente: les indicateurs de turbidité ont atteint la norme et l’ont dépassée.
135,0
125,0
115,0
105,0
95,0
85,0
55,0
45,0
35,0
25,0
15,0
NORME
-5,0 5,0
Avant l'ajout
NITRATES
60,00
NORME
30,00
20,00
10,00
0,00
Avant l'ajout
46 20.05.2019 24.05.2019 28.06.2019 01.06.2019 05.06.2019 09.06.2019 12.06.2019 16.06.2019 20.06.2019 24.06.2019 26.06.2019 28.06.2019 30.06.2019 02.07.2019 04.07.2019 06.07.2019 08.07.2019 10.07.2019 12.07.2019 14.07.2019 16.07.2019 18.07.2019 20.07.2019 23.07.2019 27.07.2019 31.07.2019 04.08.2019
20.05.2019 21.05.2019 22.05.2019 23.05.2019 24.05.2019 25.05.2019 26.05.2019 27.05.2019 28.05.2019 29.05.2019 30.05.2019 31.05.2019 01.06.2019 02.06.2019 03.06.2019 04.06.2019 05.06.2019 06.06.2019 07.06.2019 08.06.2019 09.06.2019 11.06.2019 12.06.2019 13.06.2019 14.06.2019 15.06.2019 16.06.2019 17.06.2019 18.06.2019 20.06.2019 21.06.2019 22.06.2019 24.06.2019 25.06.2019 26.06.2019 27.06.2019 28.06.2019 30.06.2019 01.07.2019 02.07.2019 03.07.2019 04.07.2019 05.07.2019 07.07.2019 08.07.2019 10.07.2019 11.07.2019 12.07.2019 14.07.2019 16.07.2019 17.07.2019 18.07.2019 20.07.2019 22.07.2019 23.07.2019 25.07.2019 27.07.2019 29.07.2019 30.07.2019 31.07.2019 01.08.2019 02.08.2019 04.08.2019 06.08.2019 08.08.2019 10.08.2019 12.08.2019 14.08.2019 18.08.2019 22.08.2019 26.08.2019 30.08.2019 03.09.2019 07.09.2019 11.09.2019 15.09.2019 19.09.2019 25.09.2019 30.09.2019 04.10.2019 11.10.2019 18.10.2019 23.10.2019 28.10.2019 01.11.2019 08.11.2019 13.11.2019 18.11.2019 22.11.2019 27.11.2019 02.12.2019 06.12.2019 11.12.2019
BIOTECHNOLOGIES
Figure 4. La dynamique des changements sur les installations de traitement biologiques dans le village de Vysikaia gora pendant 6 mois.
TURBIDITÉ 320
75,0 120
65,0 100
20
Avant l'ajout
ABSORPTION BIOCHIMI
300
280
260
240
220
200
180
160
140
80
60
40
0
NORME
mg / l
Quatre mois après la colonisation des stations d’épuration par des bactéries modifiées, la croissance exponentielle des nitrates a commencé, ce qui indique la fin du traitement des sels d’ammonium — un polluant traditionnel — accumulés dans les périodes précédentes. Une fois la destruction des dépôts accumulés sera terminée, seuls les volumes actuels de sels d’ammonium seront traités et les taux de nitrates reviendront à la norme.
PRODUITS PÉTROLIERS, GRAISSES, HUILES, TENSIOACTIFS SYNTÉTIQUES
mg / l 10–3
Un cycle semestriel après l’application du biote modifié ne suffit pas pour atteindre la norme pour les produits pétroliers, car les contaminants accumulés depuis plusieurs années sont traités en premier lieu. Cependant, en 6 mois, il est possible d’obtenir une réduction visible de la pollution.
NORME
janvier-février 2020 The Chemical Journal
BIOTECHNOLOGIES
IQUE DE L'OXYGÈNE
mg О2/l
L’absorption biochimique de l’oxygène — le principal indicateur de l’efficacité des stations d’épuration biologiques — montre combien de milligrammes d’oxygène sont nécessaires et absorbés pour l’oxylation de la matière organique contenue dans l’eau. La réduction maximum de cet indicateur signifie qu’il n’y a plus de milieu dans l’eau qui a besoin d’absorption d’oxygène.
08.08.2019 12.08.2019 16.08.2019 20.08.2019 24.08.2019 30.08.2019 03.09.2019 07.09.2019 11.09.2019 15.09.2019 20.09.2019 25.09.2019 30.09.2019 04.10.2019 16.10.2019 21.10.2019 25.10.2019 30.10.2019 05.11.2019 11.11.2019 15.11.2019 22.11.2019 27.11.2019 02.12.2019 06.12.2019
Installations de traitement biologiques d’Innopolis. Station d’épuration biologique.
Le niveau d’absorption biochimique de l’oxygène sur les stations d’épuration en Russie selon la norme RD 52.24.420-2006 est déterminée par la méthode du flacon — extrêmement coûteux et comportant de divers risques : nombre de réactifs — 20, moyens de mesure et dispositifs — 28, nombre d’actions pour l’analyse de l’échantillon — 21. En même temps, à l’étranger, ces études — effectuées avec la méthode barométrique — sont entièrement automatisées. L’appareil chinois, y compris un thermostat, coûte 3500 $, le coût des solutions italiennes et allemandes — de 4300 $ à 5500 $. L’appareil développé par «NPO Kinematika» est un analogue complet des solutions étrangères, qui coûte 450 $. Installations de traitement biologiques de Vysokaia gora. Réservoir des lignes 1 et 2. Partout sur les stations d’épuration avec le biote aborigène il y a beaucoup de dépôts de polluants solidifiés. Le processus de «capture du territoire» par de nouveaux organismes modifiés se produit progressivement, la population augmente. Les 6–7 premiers mois sont consacrés au traitement des contaminants accumulés auparavant. Installations de traitement biologiques de Laichevo. Réservoirs des lignes A et B.
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BIOTECHNOLOGIES ENTRÉE
SORTIE
L’application de la technologie sur la station d’épuration de la ville de Laichevo a permis d’obtenir l’augmentation considérable de la qualité de l’eau. L’eau envoyée après les installations dans la rivière s’est avérée plus propre que l’eau dans la rivière.
d’un saut spectaculaire dans l’amélioration des indicateurs. Les études de la population bactérienne après six mois d’observation a montré que leurs propriétés ne se dégradent pas ; au contraire, en raison de l’adaptation, les indicateurs des organismes s’améliorent encore. L’analyse des résultats a prouvé l’efficacité de la technologie. Ainsi, des améliorations ont été atteintes pour les types de pollution de base suivants : • consommation biologique d’oxygène – 6 fois, • produits pétroliers – 4 fois, • nitrates – 30 fois, • turbidité – 10 fois, • les processus de nitrification et de dénitrification sont devenus considérablement accélérés. Le suivi en cours montre une évolution positive et continue des indicateurs sur les sites. Pour la première fois et en grande quantité, les rotifères sont apparues dans les bassins. Le processus d’élimination des depots accumulés auparavant se poursuit sur les station. La chose la plus importante du développement c’est-ce qu’il n’est pas nécessaire de réintroduire des portions de boues actives :
mise à l’échelle et distribuée à un nombre important d’entreprises dans des conditions climatiques similaires.
Égouts urbains Sur la base des résultats obtenus, une technologie d’application de micro-organismes à génome reconstitué a été développée pour résoudre les problèmes des eaux usées dans les villes et les mégapoles. La proposition est de placer des blocs compacts peuplés par des micro-organismes dans des puits d’égout situés dans les parties initiales des réseaux d’égouts urbains. Cette solution permettra de transformer le réseau d’égouts de la ville en un bioréacteur idéal. La nouvelle méthode permet d’atteindre les objectifs suivants : • élimination des odeurs, • amélioration du fonctionnement hydraulique du réseau, • réduction du nombre de blocages dans le réseau, • réduction significative de la charge sur les installations de traitement des eaux usées,
Le principal avantage de la nouvelle technologie c’est une réduction radicale des coûts de construction et de reconstruction des stations d’épuration biologiques. les micro-organismes actifs «autochtones» n’ont pas seulement conservé leur activité pendant une longue période d’observation, mais continuent également d’améliorer les indicateurs. Les auteurs de la technologie associent au processus d’adaptation. Les échantillons prélevés ont montré une résistance à la température élevée jusqu’à +20˚C. Cela signifie qu’en hiver, les stations d’épuration fonctionneront efficacement. Les objectifs fixés d’amélioration la qualité du traitement biologique des eaux usées ont été atteints. La technologie peut être 48
• retour de l’eau purifiée dans le circuit économique, • dans un délai court (7–12 mois), une solution complète pour le problème du traitement des eaux usées urbaines, • réduction radicale des coûts de construction et de reconstruction des installations de traitement biologique.
Avantages de la technologie Compte tenu de la charge croissante sur les stations d’épuration biologique des villes et
des entreprises et du durcissement simultané des normes environnementales, les installations existantes ne répondent pas aux exigences actuelles et doivent être reconstruites. D’une part, pour améliorer les performances de traitement biologique, les stations de traitement utilisent des systèmes de lit fluidisé et similaires augmentant le flux d’oxygène vers les bactéries aérobies ou l’échange dans un milieu anaérobie. Ce type de modernisation est lié à des coûts énergétiques importants. D’autre part, afin de réduire considérablement le volume de résidus provenant des stations d’épuration biologiques, la direction opte de plus en plus pour le traitement thermique. Cependant, un four de pyrolyse à haute température et un système de traitement des gaz résiduaires représentent une solution assez coûteuse, liée avec des risques environnementaux. La nouvelle technologie résout les deux problèmes. Sans nécessiter de dépenses en capital ni de dépenses courantes pour sa mise en œuvre, elle augmente la productivité des stations d’épuration biologiques de 3 à 4 fois sans leur réconstruction, améliore plusieurs fois la qualité de l’eau et réduit au maximum le volume des résidus non éliminés.
Nouvelles applications Les développeurs de «NPO Kinematika» mènent des travaux de recherche dans les domaines suivants : bio-lixiviation des métaux des décharges des usines minières et métallurgiques, transformation des déchets industriels alimentaires et agricoles en aliments riches en protéines, traitement des sols contaminés par des produits pétroliers, rétablissement de la fertilité naturelle de la terre, travail avec les déchets radioactifs liquides de la société Rosatom et dans d’autres domaines. janvier-février 2020 The Chemical Journal