Abstract
De la découverte au début des années 1990 à l’achèvement du réacteur anammox à grande échelle, il a fallu près de deux décennies pour découvrir le voile secret des bactéries anammox. La commercialisation de l’anammox a connu trois étapes importantes : le développement du premier milieu de culture d’enrichissement, l’achèvement du premier réacteur anammox commercial et le démarrage rapide de l’usine anammox à grande échelle. Jusqu’à présent, la culture des bactéries anammox a connu de grands progrès grâce à deux stratégies générales : (a) démarrer un réacteur à partir de zéro et (b) ensemencer le réacteur avec des boues anammox enrichies. Il a fallu 3,5 ans pour que le premier réacteur anammox à grande échelle fonctionne pleinement selon la première approche, et ce pour plusieurs raisons, outre le manque de boues anammox. En revanche, le premier réacteur anammox asiatique a démarré en deux mois, grâce à la disponibilité de semences anammox. Parallèlement à la mise en œuvre d’usines anammox, l’anammox devient finalement le choix prioritaire pour le traitement des eaux usées à l’ammonium.
1. Introduction
L’élimination biologique conventionnelle de l’azote des eaux usées se compose généralement de deux étapes, la nitrification et la dénitrification. Pendant le processus de nitrification, l’ammonium est biologiquement oxydé en nitrate, qui est ensuite réduit en azote gazeux en utilisant la matière organique comme donneur d’électrons pendant le processus de dénitrification. Lorsque le rapport DBO/TKN est faible, comme c’est le cas dans de nombreuses eaux usées riches en ammonium, une source de matière organique biodégradable doit être ajoutée pour obtenir une dénitrification complète. Les opérations sont assez coûteuses, tant pour la demande d’oxygène pour la nitrification aérobie que pour l’ajout de substrats organiques pour la dénitrification. Les boues excédentaires générées dans le processus conventionnel d’élimination biologique de l’azote augmentent également le coût du traitement.
L’oxydation anaérobie de l’ammonium (anammox) est une alternative nouvelle, autotrophe et rentable au processus traditionnel d’élimination biologique de l’azote . L’existence de cette bactérie a été prédite pour la première fois dans les années 1970 sur la base de calculs thermodynamiques. Les bactéries anammox oxydent l’ammonium en azote gazeux en utilisant le nitrite comme accepteur d’électrons dans des conditions anoxiques, et leur croissance se produit par la fixation du dioxyde de carbone (tableau 1) .
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| Van de Graaf et al. . Strous et al. . |
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La découverte du processus anammox a apporté des changements révolutionnaires à l’élimination biologique conventionnelle de l’azote dans les eaux usées. Certaines caractéristiques uniques font du processus anammox une technique prometteuse et durable , comme le faible rendement de la biomasse, l’absence de besoin d’aération et l’absence d’ajout de sources de carbone externes . Bien que le processus anammox récemment découvert ouvre de nouvelles possibilités pour l’élimination de l’azote des eaux usées, le principal obstacle à la mise en œuvre de l’anammox est la lenteur du taux de croissance (, temps de doublement () de 11 jours) des micro-organismes anammox , ce qui rend ce processus difficile pour les traitements pratiques des eaux usées. Parallèlement, les bactéries anammox sont extrêmement difficiles à cultiver en culture pure, même Candidatus Brocadia anammoxidans n’a pu être purifié jusqu’à une homogénéité apparente que par centrifugation de densité Percoll. Afin de réaliser l’application pratique du processus anammox, les chercheurs se concentrent sur l’enrichissement des bactéries anammox à croissance lente. De nombreuses études ont été menées pour enrichir les organismes anammox, soit par différentes méthodes comme le biofilm ou la granulation, soit par tous types de réacteurs. Cet article passe en revue le développement du procédé anammox et les études relatives en laboratoire, notamment la découverte et la biochimie des bactéries responsables de l’oxydation anaérobie de l’ammonium. Une attention particulière a été accordée à la commercialisation et à l’application à grande échelle de la technique anammox.
2. Découverte et phylogénie de l’anammox
Déjà en 1932, il a été signalé que le gaz de diazote était généré par un mécanisme inconnu pendant la fermentation dans les sédiments du lac Mendota, Wisconsin, USA . Il y a plus de 40 ans, Richards a remarqué que la plupart de l’ammonium qui devrait être produit pendant la reminéralisation anaérobie de la matière organique n’était pas comptabilisé. Comme il n’existait aucune voie biologique connue pour cette transformation, l’oxydation biologique anaérobie de l’ammonium n’a guère retenu l’attention. Il y a trente ans, l’existence de deux micro-organismes chimiolithoautotrophes capables d’oxyder l’ammonium en diazote a été prédite sur la base de calculs thermodynamiques. On pensait que l’oxydation anaérobie de l’ammonium ne serait pas réalisable, en supposant que les prédécesseurs avaient essayé sans succès d’établir une base biologique pour ces réactions . Dans les années 1990, les observations fantastiques d’Arnold Mulder étaient tout simplement cohérentes avec la suggestion de Richards . Dans leur réacteur pilote anoxique dénitrifiant, l’ammonium disparaissait au détriment des nitrites avec une production nette d’azote. Le réacteur utilisait l’effluent d’un réacteur pilote méthanogène, qui contenait de l’ammonium, du sulfure et d’autres composés, et le nitrate d’une installation de nitrification comme influent. Ce processus a été baptisé « anammox » et l’on s’est rendu compte qu’il était très important pour l’élimination de l’ammonium indésirable. Même s’il ne comprenait pas parfaitement la réaction anammox, Arnold Mulder a immédiatement fait breveter le procédé. La découverte du procédé anammox a été présentée publiquement pour la première fois lors du 5e congrès européen de biotechnologie. Au milieu des années 1990, la découverte de l’anammox dans le réacteur à lit fluidisé a été publiée . Un taux maximal d’élimination de l’ammonium de 0,4 kg N/m3/d a été atteint. Il a été démontré que pour chaque mole d’ammonium consommé, 0,6 mole de nitrate était nécessaire, entraînant la formation de 0,8 mole de gaz N2 ( dans le tableau 1). La même année, la nature biologique de l’anammox a été identifiée . Des expériences de marquage avec 15 en combinaison avec 14 ont montré que c’était le produit dominant, constituant 98,2% du N2 total marqué. Ces résultats étaient en contradiction avec la réaction 1, dans laquelle le pourcentage de et dans le diazote gazeux formé serait de 75 % et 25 %, respectivement. On s’est rendu compte qu’au lieu du nitrate, le nitrite était supposé être l’agent oxydant de l’ammonium dans la réaction anammox ( dans le tableau 1) . Sur la base d’une étude précédente, Strous et al. ont calculé la stœchiométrie du processus d’anammox par équilibrage des masses (dans le tableau 1), ce qui est largement accepté par d’autres groupes. Plus tard, les bactéries anammox ont été identifiées comme des planctomycètes, et le premier organisme anammox identifié a été nommé Candidatus « Brocadia Anammoxidans ». Avant 2002, l’anammox était considéré comme un acteur mineur du cycle de l’azote dans les écosystèmes naturels. En 2002, on a découvert que l’anammox jouait un rôle important dans le cycle biologique de l’azote, représentant de 24 à 67 % de la production totale de N2 dans les sédiments du plateau continental qui ont été étudiés. À l’échelle mondiale, l’anammox pourrait être responsable de 30 à 50 % de la production de N2 dans l’océan. La découverte du processus d’anammox a modifié le concept de cycle biologique de l’azote tel qu’il est décrit dans la figure 1.
Le cycle biologique de l’azote (basé en partie sur Arrigo ). DNRA, réduction dissimilatoire des nitrates en ammonium.
La couleur rouge spécifique des bactéries anammox (figure 2(a)) est due au groupe hème c de la protéine cytochrome c qui joue un rôle important dans le métabolisme anammox . Les formes irrégulières des bactéries anammox ont été mises en évidence par des images de microscopie électronique à transmission et de microscopie électronique à balayage (figures 2(b) et 2(c)). Les espèces anammox ont un anammoxosome unique lié à une membrane et un riboplasme avec des particules de type ribosome séparées du paryphoplasme par une membrane intracytoplasmique. Les cellules contiennent trois compartiments distincts liés à la membrane : le paryphoplasme, le cytoplasme et l’anammoxosome.
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(b)
(c)
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(b)
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La couleur rouge spécifique des bactéries anammox (a), les formes irrégulières typiques des bactéries anammox affichées par microscopie électronique à balayage (b), et les images de microscopie électronique à transmission (c).
Jusqu’à présent, cinq genres d’anammox ont été découverts, avec des identités de séquence de gène d’ARNr 16S des espèces allant de 87 à 99% . Il est bien connu que toutes les bactéries anammox appartiennent au même ordre monophylétique appelé Brocadiales et sont liées aux Planctomycetales. Parmi elles, quatre genres anammox « Candidatus » ont été enrichis à partir de boues activées : « Kuenenia » , « Brocadia » , « Anammoxoglobus » , et « Jettenia » . Le cinquième genre d’anammox, « Candidatus Scalindua » , a souvent été détecté dans les habitats naturels, en particulier dans les sédiments marins et les zones de minimum d’oxygène .
3. Mécanismes de réaction possibles pour l’anammox
Pour comprendre la voie métabolique possible de l’anammox, des expériences de marquage au 15N ont été réalisées pour la première fois en 1997 . Ces expériences ont montré que l’ammonium était biologiquement oxydé avec l’hydroxylamine, très probablement dérivée du nitrite, comme accepteur probable d’électrons. La conversion de l’hydrazine en diazote gazeux est postulée comme la réaction générant les équivalents d’électrons pour la réduction du nitrite en hydroxylamine. En général, deux mécanismes de réaction possibles ont été abordés. Un complexe enzymatique lié à la membrane convertit d’abord l’ammonium et l’hydroxylamine en hydrazine, puis l’hydrazine est oxydée en diazote gazeux dans le périplasme. En même temps, le nitrite est réduit en hydroxylamine au niveau du site cytoplasmique du même complexe enzymatique responsable de l’oxydation de l’hydrazine avec un transport interne d’électrons (figure 3(a)). Un autre mécanisme possible pour le processus anammox est conclu comme suit : l’ammonium et l’hydroxylamine sont convertis en hydrazine par un complexe enzymatique lié à la membrane, l’hydrazine est oxydée dans le périplasme en diazote gazeux, et les électrons générés sont transférés via une chaîne de transport d’électrons à l’enzyme réductrice de nitrite dans le cytoplasme où le nitrite est réduit en NH2OH (Figure 3(b)). Il reste à déterminer si la réduction des nitrites et l’oxydation de l’hydrazine se produisent sur différents sites de la même enzyme (figure 3(a)) ou si les réactions sont catalysées par différents systèmes enzymatiques reliés par une chaîne de transport d’électrons (figure 3(b)). L’apparition de l’hydrazine comme intermédiaire dans le métabolisme microbien de l’azote est rare. L’hydrazine a été proposée comme intermédiaire lié à une enzyme dans la réaction de la nitrogénase .
(a)
(b)
(a)
(b).
Possible voie biochimique et localisation cellulaire des systèmes enzymatiques impliqués dans la réaction anammox. Figure modifiée, avec autorisation, à partir de FEMS Microbiology Reviews et Process Biochemistry .
Un rôle possible de NO ou HNO dans l’anammox a été proposé par Hooper et al. par le biais de la condensation de NO ou HNO et de l’ammonium sur une enzyme liée à la famille des ammoniums monooxygénases. L’hydrazine ou l’imine formée pourrait ensuite être convertie par l’enzyme hydroxylamine oxydoréductase en diazote gazeux, et les équivalents réducteurs produits dans la réaction sont nécessaires pour combiner NO ou HNO et l’ammonium ou pour réduire le nitrite en NO. L’analyse génomique environnementale de l’espèce Candidatus Kuenenia stuttgartiensis, par un mécanisme de métabolisme légèrement différent et complémentaire, a postulé que le NO était l’intermédiaire au lieu de l’hydroxylamine (Figure 4) . Mais cette hypothèse admettait également que l’hydrazine était un intermédiaire important dans le processus. Dans cette voie (Figure 4), il y a deux enzymes uniques aux bactéries anammox : l’hydrazine hydrolase (hh) et l’hydrazine déshydrogénase (hd). La hh produit l’hydrazine à partir de l’oxyde nitrique et de l’ammonium, et la hd transfère les électrons de l’hydrazine à la ferrédoxine. Peu de nouveaux gènes, tels que certains gènes connus de la biosynthèse des acides gras et de l’enzyme du radical S-adénosylméthionine , contenant des domaines impliqués dans le transfert d’électrons et la catalyse ont été détectés.
(a)
(b)
(a)
(b).
Voies métaboliques hypothétiques et transport d’électrons inversé dans l’anammoxosome. (a) Catabolisme anammox qui utilise le nitrite comme accepteur d’électrons pour la création d’une force motrice de protons sur la membrane anammoxosomale. (b) Le transport inversé d’électrons induit par la force motrice du proton combine le catabolisme central avec la nitrate réductase (NAR) pour générer de la ferredoxine pour la réduction du dioxyde de carbone dans la voie de l’acétyl-CoA. HAO, hydrazine oxydoréductase ; HD, hydrazine déshydrogénase ; HH, hydrazine hydrolase ; NIR, nitrite oxydoréductase ; Q, quinine. Diamants bleu clair, cytochromes ; flèches bleues, réductions ; flèches roses, oxydations. Figure modifiée, avec permission, de Nature .
4. Développement du milieu de base et du milieu désigné
Une fois que l’on a réalisé que le nitrite était l’accepteur d’électrons avec l’ammonium comme donneur d’électrons, un milieu de base contenant de l’ammonium, du nitrite, du bicarbonate, des minéraux et des oligo-éléments a été développé pour l’enrichissement des microorganismes anammox . Le milieu contenait de l’ammonium (5-30 mM) et du nitrite (5-35 mM), comme seul donneur et accepteur d’électrons, respectivement, avec du bicarbonate (10 mM) comme seule source de carbone. Des minéraux et des oligo-éléments ont également été fournis. La concentration en phosphate du milieu a été maintenue en dessous de 0,5 mM, afin d’éviter son possible effet inhibiteur sur le processus, et le milieu a été rincé avec de l’argon pour obtenir des conditions anaérobies. Les expériences réalisées dans un réacteur à lit fluidisé avec un milieu d’enrichissement basal ont montré que le taux d’élimination anaérobie de l’ammonium est passé de 0,4 kg N/m3/jour à 2,4 kg N/m3/jour. L’activité spécifique maximale de la biomasse dans le réacteur à lit fluidisé était de 25 nmol /mg VS/min. Pour chaque mole d’ammonium oxydé, 0,041 mole de CO2 a été incorporé dans la biomasse. Le taux de croissance estimé dans les systèmes à lit fluidisé était de 0,001/h, ce qui équivaut à un temps de doublement d’environ 29 jours. Le milieu de base a augmenté les activités des bactéries anammox.
Le développement du milieu de base, l’étape importante de l’enrichissement de l’anammox, a déclenché un zèle fervent pour cette recherche naissante. Depuis lors, un grand nombre de chercheurs se sont penchés sur ce sujet spécifique. Le milieu ayant des effets positifs sur le processus d’anammox, de nombreuses études ont porté leur attention sur ce domaine. Malheureusement, il n’y a pas d’étude systémique de développement de milieu comme ceux pour d’autres bactéries.
Dans notre laboratoire, une étude a été menée vers la conception d’un milieu approprié en étudiant les besoins de croissance des bactéries anammox par rapport aux acides aminés. Vingt acides aminés L ont été ajoutés au milieu de base (tableau 2). Après l’expérience I, l’expérience II a été réalisée afin d’évaluer les effets des acides aminés sélectifs sur la croissance des micro-organismes. Pour quantifier la croissance des bactéries anammox, des techniques moléculaires quantitatives ont été utilisées. Les expériences préliminaires ont indiqué que la glycine, la méthionine, la thréonine, le tryptophane et la tyrosine augmentaient la croissance des bactéries anammox. En revanche, l’asparagine, l’acide aspartique et l’histidine diminuent légèrement les activités bactériennes. Alors que 12 des 20 acides aminés L (alanine, arginine, cystéine, acide glutamique, glutamine, isoleucine, leucine, lysine, phénylalanine, proline, sérine et valine) ont totalement inhibé la croissance des bactéries anammox, ce qui a fait passer les boues du rouge au noir. Trois autres acides aminés (asparagine, acide aspartique et histidine) ont ralenti la croissance des bactéries anammox. Cette étude inédite serait bénéfique pour l’étude de l’anammox et leur application.
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| Densité optique (600 nm) après 7 jours d’incubation à 35°C, + signifie augmentation, – signifie diminution, et n.d. signifie non détecté en raison du changement de couleur. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
5. Culture d’anammox en laboratoire
Le procédé anammox a été reconnu comme étant difficile à mettre en œuvre pour des applications pratiques. Les bactéries anammox se développent dans un mélange de populations bactériennes, et elles n’ont pas été isolées dans une culture pure . Les bactéries anammox, étant strictement anaérobies et autotrophes, sont difficiles à enrichir, ce qui limite l’application de ce procédé en raison de la non-disponibilité de la biomasse suffisante requise pour le procédé. Différentes méthodes ont été employées pour cultiver et enrichir la biomasse anammox à partir de différents types de boues d’épuration. Une population relative de 88% de bactéries anammox a été obtenue dans une étude par lots inoculée à partir d’un contacteur biologique rotatif (RBC) traitant un lixiviat de décharge. Une culture d’enrichissement des bactéries anammox a également été développée dans des réacteurs à l’échelle du laboratoire inoculés avec des sédiments marins et des échantillons de sol de rizière et des boues activées provenant de stations d’épuration des eaux usées .
La lenteur de la croissance des bactéries anammox, avec un temps de doublement approximatif de 11 jours, constitue l’obstacle majeur à la mise en œuvre du procédé anammox . Une longue période de démarrage est donc à prévoir dans le procédé anammox. Raccourcir la période de démarrage du procédé anammox en réduisant le potentiel de lavage de la biomasse anammox devient une stratégie importante pour une application à grande échelle. Différents types de conception de réacteurs ont été utilisés pour minimiser le lessivage de la biomasse anammox, notamment le réacteur à réservoir agité continu, le réacteur biologique anaérobie filtré, le réacteur séquentiel discontinu (SBR), le réacteur à flux ascendant et le réacteur à biofilm. Une croissance plus rapide des bactéries anammox a été obtenue dans un bioréacteur à membrane (MBR) (le temps de doublement était inférieur à 10 jours), ce qui a permis d’obtenir une pureté sans précédent de l’enrichissement de 97,6 % . La formation d’agrégats compacts a permis de maintenir une grande quantité de biomasse anammox active dans un réacteur. Par conséquent, la granulation est également une approche alternative pour l’enrichissement de l’anammox.
En résumé, il existe deux approches principales (stratégies) pour démarrer un réacteur anammox : (a) démarrer un réacteur à partir de zéro et (b) l’inoculer avec des boues anammox hautement enrichies. Pour la première stratégie, la configuration du réacteur est très importante. La technique SBR a assuré un fonctionnement fiable pendant un an dans des conditions stables avec une rétention efficace de la biomasse (plus de 90% de la biomasse a été maintenue dans le réacteur) et une distribution homogène des substrats, des produits et des agrégats de biomasse. Le MBR a également été appliqué avec succès pour la culture de bactéries anammox avec un taux de croissance rapide (le temps de doublement minimum pour les bactéries anammox a été estimé à 5,5-7,5 jours). Parmi les différents réacteurs, le réacteur à membrane non tissée anammox (ANMR) est une nouvelle configuration de réacteur pour enrichir la biomasse anammox (Figure 5). Le réacteur a été développé en connectant un ensemble de modules de membranes non tissées, qui servent également de port d’effluent, avec un réacteur anaérobie. Le module de membrane a été installé à l’extérieur du réacteur, ce qui est différent des réacteurs à membrane immergés. Contrairement aux réacteurs à membrane conventionnels, les eaux usées circulaient dans le module à membrane, et les biofilms se développaient sur la surface intérieure de la membrane. Une grande partie de la biomasse en suspension pouvait rester dans le réacteur par filtration à travers la membrane non tissée et les biofilms, ce qui a permis d’améliorer la qualité de l’effluent et de renforcer la rétention des solides dans le réacteur. Après plus de huit mois de fonctionnement, la pureté (pourcentage de cellules anammox dans la communauté) des bactéries anammox dans le réacteur a été quantifiée à 97,7 %. Le réacteur ANMR rentable s’est révélé adapté aux bactéries anammox à croissance lente et présente les avantages suivants : (1) une grande quantité de la biomasse pouvait rester dans le réacteur par filtration à travers la membrane non tissée et la formation d’un biofilm, (2) la formation d’agrégats et de biofilms améliorait la rétention des solides dans le réacteur, (3) la membrane non tissée était rentable, et (4) la conception du réacteur anaérobie permettait de diluer le milieu influent et d’éviter l’inhibition due à des concentrations élevées de nitrites, ce qui entraînait une grande capacité de tolérance des substrats. Récemment, le réacteur à lit de boue anaérobie à écoulement ascendant (UASB) a été fortement recommandé pour la culture de bactéries à croissance lente. Ceci est dû non seulement à l’amélioration des conditions physiologiques, les rendant favorables aux bactéries et à leurs interactions, en particulier les syntrophismes dans le système anaérobie, mais aussi à la formation de boues granulaires, étant la raison principale de l’introduction réussie du réacteur UASB . Par conséquent, la granulation améliore également l’application de l’anammox. Étonnamment, Ni et ses collègues ont utilisé des granules méthanogènes inactifs comme inocula pour réaliser avec succès une granulation rapide. La concentration de nitrite au démarrage était significativement plus élevée que le niveau toxique publié pour les bactéries anammox et d’autres études à l’échelle du laboratoire. L’hébergement et la prolifération des bactéries anammox dans les granules méthanogènes inactifs pourraient être la raison principale de la grande pureté de l’anammox dans une courte période. Les cellules anammox pourraient utiliser le squelette des granules méthanogènes inactifs et proliférer à partir de l’intérieur comme observé en TEM (Figure 6). La deuxième approche mentionnée précédemment réduit considérablement le temps nécessaire au démarrage de l’anammox en partant du principe qu’il existe une grande quantité de boues anammox, mais elle est généralement limitée par le manque de boues anammox. La construction progressive d’usines anammox à grande échelle augmente la disponibilité de boues anammox. L’introduction de la boue anammox exotique pour ensemencer un réacteur granulaire est un bon choix. Le réacteur a été démarré avec succès en deux semaines ; en outre, une élimination élevée de l’azote a été obtenue pendant une longue période, montrant que l’inoculation de granulés anammox matures était idéale pour démarrer un nouveau réacteur.
Schéma du réacteur à membrane non tissée anammox (ANMR) .
(a)
(b)
(a)
(b).
(a) Micrographie électronique à transmission montrant des cellules dormantes dans le granule de la graine (barre = 2 μm). (b) Micrographie électronique à transmission montrant les bactéries anammox à l’intérieur des granules (barre = 2 μm).
6. Application commerciale du procédé anammox
Le manque de cultures pures de bactéries anammox rend une approche génomique moins directe. Combiné avec le faible taux de croissance spécifique maximal des bactéries anammox et des conditions opérationnelles strictes, l’application pratique de l’anammox a pris beaucoup de retard sur les progrès de la recherche.
De nombreux efforts ont été faits sur le développement d’un produit commercialisable. Ici, nous voudrions mentionner la Paques BV (Balk, Pays-Bas) pour ses efforts inlassables sur l’application pratique du processus anammox. Au début de 2001, Van Dongen et al. ont mis à l’échelle le réacteur SHARON (single reactor system for high rate ammonium removal over nitrite) en collaboration avec Paques BV. L’effluent du procédé SHARON convenait parfaitement comme influent pour le procédé anammox, car l’ammonium était oxydé à 53 % en nitrite, plutôt qu’en nitrate dans le procédé SHARON à 1,2 kg de charge d’azote par m3 et par jour sans contrôle du pH. Le système combiné SHARON-anammox pouvait fonctionner de manière stable sur de longues périodes, et les auteurs ont prédit que le procédé combiné était prêt pour une mise en œuvre à grande échelle.
Sur la base d’une étude constante et réussie, en 2007, le premier réacteur anammox granulaire à grande échelle a été accompli à la station de traitement des eaux usées de Waterboard Hollandse Delta à Rotterdam, aux Pays-Bas . C’est le début de l’application commerciale du processus anammox, qui constitue une autre étape importante. Le premier réacteur grandeur nature de 70 m3 a été directement multiplié par 7000 à partir d’une expérience de laboratoire de 10 litres. Le réacteur a été initialement inoculé avec des boues nitrifiantes et une quantité totale de 9,6 m3 ; de la biomasse décantée provenant d’un réacteur d’enrichissement anammox a été ajoutée du jour 622 au jour 1033 . Même avec l’ajout de boues anammox, le démarrage a pris 3,5 ans, soit 1,5 an de plus que prévu. Plusieurs raisons expliquent cette longue période de démarrage, outre les faibles taux de croissance des micro-organismes anammox. La plus importante est qu’il n’y avait pas de boue d’ensemencement anammox disponible pour inoculer le premier réacteur à grande échelle, et le retard a été causé par des problèmes techniques tels que des problèmes opérationnels et de température, car le premier réacteur à grande échelle a été directement mis à l’échelle à partir de l’échelle de laboratoire, sans passer par la phase pilote. En effet, le premier réacteur à échelle réelle a été directement mis à l’échelle du laboratoire, sans passer par la phase pilote. En revanche, ce premier réacteur à échelle réelle avait un caractère de centrale pilote. En septembre 2006, le réacteur était en plein fonctionnement et le taux de chargement a pu être atteint à un niveau de 750 kg/j, soit 50% de plus que la charge de conception.
Quatre autres usines anammox ont été construites avant 2008, trois en Europe et une en Asie (tableau 3). Le troisième réacteur, qui fait partie d’une usine de traitement des effluents d’une usine de pommes de terre, a présenté le taux de charge en ammonium le plus important. La capacité du réacteur est de 1200 kg N/d, alors que seulement environ 700 kg N/d sont convertis car il n’y a plus d’azote disponible dans les eaux usées. Le Japon a construit le premier réacteur anammox à grande échelle en Asie dans une usine de semi-conducteurs. En 2009, Paques Environmental Technology (Shanghai) a annoncé qu’un accord avait été conclu pour construire la plus grande usine de traitement des eaux usées par anammox au monde en Chine. Le processus anammox a été conçu pour avoir une capacité de conversion de 11 tonnes d’azote par jour, soit près de dix fois plus que la plus grande usine construite avant 2008. La combinaison en deux étapes de l’anammox et des réacteurs à circulation interne (CI) sera la sixième application à grande échelle de l’anammox. Depuis 2009, l’anammox a connu un développement considérable. Paques a mis en place onze autres usines anammox, dont sept en Chine. La Chine, qui est le plus grand marché en développement du monde, contribue de manière significative à la commercialisation du procédé anammox.
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| Abma et al. et communication avec Paques BV. Les valeurs entre parenthèses signifient les charges atteintes (kg N/d). Plus d’azote disponible. |
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Grâce à l’expérience des usines anammox établies, le temps de démarrage de l’usine commercialisable est devenu de plus en plus court. Cela pourrait constituer une autre étape importante. Le deuxième réacteur a démarré en 1 an et il a fallu 2 mois pour le démarrage de la première usine asiatique. À l’heure actuelle, plus de 30 installations en grandeur réelle sont en service dans le monde, principalement en Autriche, en Chine, au Japon, aux Pays-Bas et aux États-Unis. Tout cela met l’accent sur le fait que le procédé anammox devient une technique commerciale.
7. Conclusion
La découverte du processus vert, l’anammox, apporte des changements révolutionnaires à l’élimination biologique conventionnelle de l’azote. Jouant un rôle important dans le cycle biologique de l’azote, ce processus unique apporte une grande contribution à notre environnement et à notre économie. Le développement de l’anammox a connu plusieurs étapes importantes : la culture en laboratoire sur milieu basal, la mise en œuvre d’un système de réacteur à grande échelle et des applications techniques étendues. Bien que le démarrage d’un réacteur à partir de zéro soit universel, l’inoculation avec des boues anammox hautement enrichies est plus réalisable. Actuellement, au moins 30 systèmes anammox à grande échelle sont opérationnels. Ainsi, l’application du processus anammox offre une alternative attrayante aux systèmes actuels de traitement des eaux usées pour l’élimination de l’ammoniac et de l’azote.
Highlights
Le développement du processus anammox du laboratoire à la commercialisation a été examiné. Trois étapes ont été franchies : le milieu de base, la première usine et les applications étendues. L’ensemencement avec des boues anammox enrichies est plus réalisable que de partir de zéro. Plus de 30 usines anammox à grande échelle sont en service dans le monde. L’anammox devient finalement le choix prioritaire pour le traitement des eaux usées à l’ammonium.
Conflit d’intérêts
Les auteurs déclarent qu’il n’y a pas de conflit d’intérêts.
Remerciements
Les auteurs remercient le soutien de la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (nos. 51108251 et 21177075), du Fonds de bourse de recherche pour les moyens et jeunes scientifiques exceptionnels de la province de Shandong (n° BS2012HZ007), de la Fondation des sciences naturelles pour le jeune chercheur distingué de la province de Shandong (n° JQ201216), de la Fondation d’innovation indépendante de l’Université de Shandong (n° 2012GN001), et du Plan de pionnier du personnel d’outre-mer de Jinan (n° 20110406).