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Vue schématique de l'installation

Diagramme de Gantt du projet

En couleur pleine, les étapes critiques. Les pointillées correspondent aux étapes qui bénéficient d'une certaine marge de temps. Légende des couleurs dans l'ordre de déroulement des tâches : Dimensionnement théorique (violet clair) ; Validation empirique (bleu clair); Matériel et installation (bleu sombre)

Dans un premier temps nous devons mesurer l’ensoleillement de la terrasse du gymnase (minimum requis : 1000 lumen/m² soit 1.4641 W/m²), l'utilisation de bases de données d'ensoleillement annuel sur la ville de Paris ainsi que l'exposition du site devrait permettre une estimation correct de ce paramètre.

Il faut ensuite prévoir plusieurs prélèvements de l'eau (après un arrosage classique, après un apport de javel et/ou pesticides), puis les analyser par dosage au photomètre, de manière à établir la proportion dans laquelle elle sera diluée, en comparant avec le milieu de culture standard des algues (bold basal medium).

On peut déjà se faire une idée des taux de javel et de pesticides dans l'effluent, et établir des hypothèses sur la faisabilité des cultures (la javel notamment rend cette pratique difficile).

A partir de ces données, on peut sélectionner l’espèce la plus adaptée parmi Chlorella vulgaris, Scenedesmus abundans ou Chlamydomonas reinhardii (cette dernière espèce peut être testée, mais elle est peu robuste). On pourra alors prédire un modèle mathématique de croissance des algues.

D’après la formule de Redfield, les taux de nutriments et d'oxygène mesurés, on peut estimer la quantité de biomasse que l'on pourra potentiellement obtenir.

C₁₀₆H₂₆₃O₁₁₀N₁₆P₁ + 138 O₂ = 106 CO₂ + 16 NO₃^- + 1 HPO₄^- + 122 H₂O + 18 H⁺

Composition élémentaire moyenne d’une algue = (Redfield Ratio, 1958)

A cette étape, on peut commencer à réfléchir à l’emplacement des installations grâces aux plans de la serre et du gymnase.

Il faut à présent vérifier les hypothèses proposées par la pratique.

On achète et cultive les algues jusqu'à une concentration de 1 million de cellule/mL, ce qui va permettre l'inoculation pour les tests.

Une fois nos algues cultivées, on teste alors les dilutions optimales estimées :

On cultive dans des cuves (1L) 3 lots témoins (milieu bold basal), et 6 échantillons de l’eau de la cuve à ces différentes dilutions. Cette expérience est réitérée deux fois, et dure 14 jours. On relève le taux de croissance des algues et le taux d’abattement des nutriments, qui devrait suivre des graphiques semblables :

La phase de croissance exponentielle des algues correspond au plus grand rendement de dépollution hors plateau (on ne veut pas maximiser le rendement de biomasse). La dilution présentant le plus rapidement la phase exponentielle est sélectionnée (ici, la dilution 3).

En parallèle, on réalise un suivi quotidien des eaux de la cuve de la serre.

Il a été noté que des algues natives de la serre sont déjà présentent dans la cuve. Le mieux serait donc de réaliser les tests précédents en présences de ces algues “autochtones”. La présence d'autres espèces d'algues ne devrait pas poser de problème car les espèces sélectionnées pour la dépollution sont compétitives, mais il s'agit d'un paramètre qui peut avoir une influence sur les taux de nutriments/croissance dans le temps.

Les résultats obtenus permettent d’obtenir la dilution pour une croissance optimale, donc la quantité d'eau de ville à avoir constamment dans le système (quand et avec quel débit injecter l'eau). Les dimensions des photobioréacteurs et des colonnes de sédimentation peuvent être définies. On peut également estimer de manière plus précise la quantité de biomasse obtenue dans le temps, et donc les moments où il faudra vider la colonne de sédimentation.

A ce stade, la question de la Javel peut être résolue. Si des algues se sont développées à certaines dilutions, la culture est possible. Dans le cas contraire, le projet est difficilement réalisable sans des changements d'habitudes sanitaires.

Le débit d'effluent dilué connu, on peut alors acheter le matériel nécessaire :

• *Les canalisations sont en PVC. Les valves doivent être adaptées aux canalisations et placées à la sortie de la cuve, de l’eau de ville, des photobioréacteurs et de la colonne de sédimentation et éventuellement de la cuve d’eau épurée.| Les photobioréacteurs peuvent être en PVC transparents ou en PMMA (plus cher que le PVC, mais transmission lumineuse meilleure). Il s’agit d’une simple colonne incluant un bulleur d’air maintenant les algues en suspension (celui-ci peut éventuellement être remplacé par un agitateur). Les électrovannes (une par réacteur) sont chacune reliées à un pHmètre et une bouteille de CO₂.En effet, le CO₂ dissout acidifie l'eau (CO₂ + H₂O = H⁺ + HCO₃^-), mais celui-ci est consommé par les algues, ce qui a pour effet d’augmenter le pH. Une pompe à chaleur (type aquarium) peut-être utilisée pour maintenir une activité optimale dans les photobioréacteurs (entre 20 et 30°C); le refroidissement du système dans les périodes de fortes chaleurs est possible dans une certaine mesure grâce au bulleur du réacteur. En-dessous de 20°C, les microalgues entrent dans une phase d'activité ralentie, mais au-delà de 32°C elles meurent. La colonne de sédimentation est plus large que les photobioréacteurs et l’eau y stagne. La séparation eau/algues est lente mais peu coûteuse. Deux pompes sont nécessaires; l'une pour remonter les effluents de la cuve vers le toit du gymnase, et l'autre, adaptée aux fluides très chargé, sert à évacuer la biomasse de la colonne de sédimentation. </WRAP>

  Etape 4 : Entretien et maintenance

  Il est nécessaire qu'une personne soit assignée à la maintenance du système. D'après une expérience similaire à la notre, nous avons pu estimer une fréquence de passage pour l'entretien d'une fois toutes les deux semaines. Pour fonctionner correctement, le système doit subir plusieurs opérations :

  • *1: vidange de la biomasse (activation de la pompe à biomasse).
    2: passage d'une partie de la biomasse des photobioréacteurs vers la colonne de sédimentation (ouverture des robinets des photobioréacteurs).
    3: apport d'effluent vers les photobioréacteurs (ouverture de la vanne de la cuve et activation de la pompe).
    4: dilution par les eaux de la ville (ouverture du robinet d'arrivée d'eau).
    Après quelques mois d'entretien manuel, on estime la meilleure fréquence de passage. On peut alors automatiser le système avec des électrovannes à la place des robinets ce qui nécessite un investissement mais est vite rentabilisé. La biomasse pompée contient des OGMs. Elle doit donc être autoclavée pour être réutilisable et commercialisable. Quelques autoclaves sont disponibles à la faculté de Jussieu et permettraient cette étape. </WRAP>

    ==== Estimation des coûts ====

    

    L'achat ou non d'un photomètre pour l'analyses des composés des effluents va influer grandement sur le budget. D'autre part, certains coûts vont augmenter avec le nombre de photobioréacteurs du dispositif, c'est notamment le cas pour les éléments du systèmes de régulation du PH (régulateur de PH et électrovanne) qui doivent être présent pour chacun des réacteurs. Les bouteilles de CO₂ devront être renouvelées régulièrement pour assurer le fonctionnement du système.

    ==== Vers une démarche pédagogique ====

    Le but du projet n'est pas d'obtenir un rendement en biomasse économiquement rentable. Il est avant tout à visée pédagogique : un système de recyclage de l'eau presque autonome mérite d'être connu par le grand public, notamment par les étudiants de Jussieu. Les étudiants ont un réel impact sur le développement des projets à long terme, si ils sont convaincus du fonctionnement d'un procédé, ils hésiterons moins à s'y investir dans leur avenir professionnel. Les jeunes générations actuelles sont nécessaires aux transitions énergétiques et au développement durable. Cependant, la faculté n'est pas qu'un lieu de passage d'étudiants. Des chercheurs, mais aussi des investisseurs et responsables d'entreprise provenant de nombreuses filières s'y rendent régulièrement pour des colloques, des conférences, des partenariats etc. La visibilité qu'offre la faculté est plus intéressante qu'un simple mur ou toit de Paris.

    Il faut également prévoir la visibilité du système au sein même de la faculté. Deux cas sont ici possibles :

    La disposition initiale, avec forte exposition sur le toit, mais ne prenant pas compte des travaux de la serre de 2015. La visibilité serait moins importante ici, mais pourrait être complétée par un système d'information relayant le fonctionnement (affiches etc.). Les futurs travaux de la serre (2015) sont pris en compte : le dispositif ne se situerait plus sur le toit, mais au sol, près d'un lieu de passage, ce qui est avantageux. La luminosité serait tout de même suffisante pour le bon fonctionnement du système.

    Plusieurs thèmes scientifiques et sociétaux peuvent être abordés, par exemple par des écriteaux, à côté des différentes étapes du système :

    • les processus de recyclage d'eau occidentaux
    • les régions arides et isolées, le nombres de personnes touchées par le manque d'eau dans le monde
    • la nature des effluents domestiques/ d'agriculture /des serres
    • les processus de la photosynthèse
    • les procédés et calculs pour la mise en place du projet
    • les valorisations possibles de la biomasse (énergie, engrais verts etc..)

    Points forts	Points faibles
    Un coût de mise en place relativement faible	Le rendement faible pour ce modèle de système
    Une démarche pédagogique facile à mettre en oeuvre	La présence de Javel et de pesticides qui peut empêcher le développement des algues
    L'attrait du fonctionnement “visible à l'oeil nu”	L'estimation de la biomasse produite et la faisabilité prévisibles tardivement dans le processus
    Le peu d'espace nécessaire	Les aléas climatiques
    Les différentes valorisations possibles de la biomasse
    Entretien non quotidien
    Fonctionnement ponctuel des pompes : diminution du coût énergétique

    ==== Conclusion ====

    Il existe plus de 18000 stations d'épuration en France, avec un volume d'eau usée à traiter de 5 milliards de m³. Des entreprises spécialisées dans l'épuration au micro-algues comme Ennesys réussissent à épurer 48% des eaux usées. Si chaque bâtiment possédait un système comme celui que nous présentons, on pourrait réduire ces chiffres de moitié. La valorisation des eaux usées est un enjeu majeur en France, mais encore plus dans les régions du monde où l'accès à l'eau potable est difficile, et ce système présente l'avantage d'être relativement simple à réaliser et écologiquement viable. De plus la Biomasse produite pouvant ensuite être utilisée pour produire de l'énergie ou revendue, cela permet de rentabiliser les coûts de fonctionnement du système. Nous pensons que ce système mérite d'être connu du grand public pour être utilisé à grande échelle, c'est pourquoi nous avons voulu mettre en avant une démarche pédagogique. Ce système peut sembler complexe au premier abord, mais nos recherches pour ce projet nous ont montré que sa réalisation était plus simple qu'il n'y paraît.

    Remerciements

    Nous tenons à remercier les personnes suivantes pour leur aide précieuse :
    

    • *Hadrien Richard et Anaïs Guibert, de la société Ennesys
      Patrick Dumont, jardinier de la serre de Jussieu
      Emmanuel Gendreau, maître de conférence à l'UPMC

      Références

      Conférence d'Anaïs Guibert, Ennesys
      Informations obtenues au siège d'Ennesys
      Article :** Bioremediation and lipid synthesis through mixotrophic algal consortia in municipal wastewater. Mahapatra et al.