Une méthode alimentée par l'énergie solaire convertit les boues d'épuration en hydrogène vert et en aliments pour animaux
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Des scientifiques de l'Université technologique de Nanyang, à Singapour (NTU Singapore), ont développé une méthode innovante fonctionnant à l'énergie solaire pour transformer les boues d'épuration - un sous-produit du traitement des eaux usées - en hydrogène vert pour une énergie propre et en protéines unicellulaires pour l'alimentation animale.
Publiée dans Nature Water , la méthode de transformation des boues en aliments et en carburant répond à deux défis mondiaux urgents : la gestion des déchets et la production de ressources durables. Elle s'inscrit dans l'objectif de la NTU de relever les plus grands défis de l'humanité, tels que le changement climatique et le développement durable.
Les Nations Unies estiment qu’environ 2,5 milliards de personnes supplémentaires vivront dans les villes d’ici 2050. La croissance des villes et des industries s’accompagne d’une augmentation des boues d’épuration, qui sont notoirement difficiles à traiter et à éliminer en raison de leur structure complexe, de leur composition et des contaminants qu’elles contiennent, tels que les métaux lourds et les agents pathogènes.
Selon ONU-Habitat, plus de 100 millions de tonnes de boues d'épuration sont produites chaque année dans le monde, un volume en augmentation constante. Cependant, les méthodes d'élimination courantes, comme l'incinération ou la mise en décharge, sont chronophages, énergivores et contribuent à la pollution environnementale.
Pour s'attaquer au problème des boues d'épuration indésirables et difficiles à traiter, les chercheurs de la NTU ont créé un processus en trois étapes alimenté par l'énergie solaire qui intègre des techniques mécaniques, chimiques et biologiques.
Les tests de validation de principe ont révélé que le procédé de l'équipe de la NTU est plus efficace que les techniques conventionnelles comme la digestion anaérobie, où des bactéries décomposent les déchets organiques pour produire du biogaz et des résidus riches en nutriments. Il permet de récupérer beaucoup plus de ressources, d'éliminer complètement les contaminants métalliques lourds, de réduire l'empreinte environnementale et d'offrir une meilleure rentabilité économique.
Li Hong, chercheur principal et professeur associé de l'École de génie mécanique et aérospatial (MAE) et de l'Institut de recherche énergétique (ERI@N) de la NTU, a déclaré : « Notre méthode transforme les déchets en ressources précieuses, réduisant ainsi les dommages environnementaux tout en créant des énergies renouvelables et une alimentation durable. Cela illustre l'économie circulaire et contribue à un avenir plus vert. »
Le professeur Zhou Yan, co-chercheur principal de l'École de génie civil et environnemental (CEE) de la NTU et de l'Institut de recherche sur l'environnement et l'eau de Nanyang (NEWRI), a déclaré : « Notre procédé à énergie solaire démontre comment nous pouvons relever plusieurs défis simultanément, en transformant un déchet complexe en énergie propre et en protéines nutritives. En intégrant des approches mécaniques, chimiques et biologiques, notre méthode a permis de lutter efficacement contre la pollution et la pénurie de ressources, offrant ainsi une nouvelle stratégie durable de gestion des eaux usées. »
Protéine unicellulaire pour l'alimentation animale, issue de boues d'épuration selon la méthode proposée par l'équipe de recherche de l'Université nationale de technologie (NTU). Crédit : Nature Water (2024). DOI : 10.1038/s44221-024-00329-z
Processus en trois étapes
Le processus commence par la décomposition mécanique des boues d'épuration. Un traitement chimique sépare les métaux lourds nocifs des matières organiques, notamment les protéines et les glucides.
Ensuite, un processus électrochimique alimenté par l’énergie solaire utilise des électrodes spécialisées pour transformer les matières organiques en produits de valeur, tels que l’acide acétique – un ingrédient clé pour les industries alimentaires et pharmaceutiques – et l’hydrogène gazeux, une source d’énergie propre.
Enfin, des bactéries activées par la lumière sont introduites dans le flux liquide traité. Ces bactéries transforment les nutriments en protéines unicellulaires adaptées à l'alimentation animale.
Écologique, rentable et évolutif
Des tests en laboratoire ont montré que cette nouvelle méthode permet de récupérer 91,4 % du carbone organique des boues d'épuration et de convertir 63 % de ce carbone organique en protéines unicellulaires sans produire de sous-produits nocifs. En comparaison, la digestion anaérobie traditionnelle récupère et convertit généralement environ 50 % des matières organiques des boues d'épuration.
Le procédé alimenté par l'énergie solaire atteint une efficacité énergétique de 10 %, générant jusqu'à 13 litres d'hydrogène par heure grâce à la lumière du soleil, ce qui est environ 10 % plus efficace sur le plan énergétique que les méthodes conventionnelles de production d'hydrogène.
Le procédé NTU réduit les émissions de carbone de 99,5 % et la consommation d'énergie de 99,3 % par rapport aux méthodes traditionnelles. Il élimine également les métaux lourds nocifs des boues, qui seraient autrement éliminées sans traitement approprié, faisant de ce procédé un choix écologique.
Le premier auteur, le Dr Zhao Hu, chercheur à l'École de MAE, a déclaré : « Nous espérons que la méthode que nous proposons démontre la viabilité d'une gestion durable des déchets et modifie la perception des boues d'épuration, les faisant passer du statut de déchet à celui de ressource précieuse qui soutient une énergie propre et une production alimentaire durable. »
L'équipe de recherche de la NTU a ajouté que, bien que le procédé récemment développé soit prometteur, des études supplémentaires sont nécessaires pour déterminer sa transposition à grande échelle. L'un des principaux défis réside dans le coût de l'utilisation d'un procédé électrochimique pour décomposer complètement les matières organiques et extraire tous les métaux lourds des déchets. De plus, la conception d'un système complexe pour une station d'épuration des eaux usées complique encore la tâche.