Il y a des milliards d'années, quand l'atmosphère terrestre empestait les gaz irrespirables, les microbes évoluent en l'absence d'oxygène. Au fur et à mesure que la Terre a mûri et que l'atmosphère d'azote et d'oxygène s'est formée, ces anaérobies, ou avare d'oxygène, les bactéries se sont retirées dans la boue du fond de l'océan et d'autres environnements où elles seraient à l'abri de l'air riche en oxygène.

Maintenant, les ingénieurs environnementaux de Stanford Craig Criddle et Bill Mitch mettent ces anciens micro-organismes au travail dans la plus grande démonstration d'un processus de traitement des eaux usées plus rentable, soutenu par une subvention de 2 millions de dollars de la California Energy Commission (CEC). Des usines plus petites à base de bactéries anaérobies traitent actuellement les eaux usées en Corée du Sud et sur le campus de Stanford.

Travailler en étroite collaboration avec les ingénieurs environnementaux de la Silicon Valley Clean Water (SVCW), une entreprise de traitement de l'eau, l'équipe de Stanford aidera à construire et à exploiter une petite usine de traitement anaérobie à Redwood Shores, Californie, aux côtés de l'énorme usine conventionnelle qui purifie les eaux usées d'un quart de million de personnes et d'entreprises de Redwood City à Menlo Park.

Le groupe a innové sur l'usine de démonstration, qui devrait entrer en ligne à l'automne 2018. Il en traitera à terme 20, 000 gallons d'eaux usées par jour pour fournir une validation et une expérience d'exploitation pour ce qui pourrait devenir une usine à grande échelle capable de traiter des millions de gallons d'eaux usées par jour.

« Le traitement anaérobie peut réduire la consommation d'énergie et les coûts, et rendre le traitement des eaux usées plus durable », a déclaré Criddle, professeur de génie civil et environnemental.

En plus de la rentabilité, les chercheurs pensent que le traitement anaérobie pourrait s'avérer meilleur pour filtrer les produits chimiques ménagers et industriels du flux de déchets, pour que l'eau traitée puisse s'égoutter sous terre pour reconstituer les aquifères ou encore, un jour, donner une eau suffisamment pure pour irriguer le jardin ou même se désaltérer.

"Le traitement anaérobie est un changement fondamental dans la technologie de recyclage de l'eau, " dit Mitch, également professeur de génie civil et environnemental.

Aérobie vs anaérobie

Pour plus d'un siècle, le traitement des eaux usées repose sur des bactéries aérobies qui ont besoin d'oxygène pour survivre. Les usines de traitement des eaux usées fournissent cet oxygène avec des soufflantes électriques énormes et coûteuses.

« Le temps est venu de changer de technologie, " a déclaré Eric Hansen, l'ingénieur civil formé à Stanford, fer de lance de la participation de Silicon Valley Clean Water dans le projet. « Le retrait de ces soufflantes du processus permet de réduire le coût de récupération de l'eau et rend les opérations de traitement municipales plus durables. »

La réduction des coûts n'est qu'un des avantages du traitement des eaux usées à base de bactéries anaérobies, selon Sébastien Tilmans, l'ingénieur civil qui dirige le Codiga Resource Recovery Center sur le campus de Stanford. A Codiga, qui a une version plus petite de la technologie, les bactéries averses à l'oxygène nettoient les eaux usées et rejettent le méthane. Communément appelé gaz naturel, cette sortie peut être brûlée comme carburant ou utilisée comme matière première chimique pour fabriquer des plastiques biodégradables. Cette, Tillman a dit, illustre un changement de mentalité.

"La notion de déchet n'existe pas dans la nature, " at-il dit. "Chaque sous-produit d'un processus naturel est un intrant pour un autre. Toutes les choses que nous jetons dans les toilettes ou dans les égouts – eau, énergie, engrais - peuvent être récupérés en tant que sous-produits précieux du processus anaérobie."

Bienvenue dans le monde du méthane

La technologie de traitement de l'eau anaérobie a été lancée il y a des décennies par l'ingénieur environnemental de Stanford Perry McCarty, maintenant professeur émérite. Mais dans les années 50, quand il a commencé à travailler avec ces averses à l'oxygène, bactéries productrices de méthane, l'énergie semblait bon marché et inépuisable. Il n'y avait aucune raison impérieuse de tester une alternative économe en énergie.

Au cours des décennies suivantes, à mesure que les coûts d'élimination de l'énergie et des biosolides ont augmenté, le traitement anaérobie est progressivement devenu plus attrayant. En 2008, McCarty a aidé à construire un système de traitement anaérobie unique dans la ville sud-coréenne de Bucheon qui s'est avéré très efficace pour le traitement des eaux usées. En 2016, Les chercheurs de Stanford ont construit un système légèrement plus grand à l'installation de Codiga, qui est devenue la première plante de ce type dans l'hémisphère occidental. La nouvelle usine de démonstration à Redwood City sera la plus grande, et seulement la troisième station de traitement anaérobie de ce type au monde.

Avantages en aval

Une fois dans l'usine, les eaux usées passent à travers un silo de bactéries anaérobies qui digèrent lentement les déchets. L'eau passe ensuite à travers une membrane d'ultrafiltration pour éliminer les bactéries et est alors suffisamment propre pour l'irrigation du paysage et certaines applications industrielles. Avec l'aide de systèmes de traitement avancés offerts par le Santa Clara Valley Water District et d'autres, le groupe examinera également l'aptitude de l'eau à un traitement ultérieur avant sa réutilisation comme eau potable.

En plus de son efficacité énergétique, un système de traitement anaérobie nécessite moins d'espace que les stations d'épuration traditionnelles, qui nécessitent d'énormes réservoirs et des systèmes de filtration plus complexes. Une usine anaérobie à l'échelle industrielle peut être jusqu'à 40 pour cent plus petite qu'une usine conventionnelle et produire au moins 30 pour cent de déchets solides en moins, un sous-produit qui doit actuellement être traité davantage et transporté par camion, générer des coûts supplémentaires et des gaz à effet de serre.

Les chercheurs estiment qu'une usine anaérobie à grande échelle capable de fonctionner à 15 millions de gallons par jour pourrait économiser jusqu'à 3 $, 000 par jour en demande d'énergie - 1 million de dollars par an - sur une usine aérobie comparable. En tenant compte des autres économies du processus plus efficace, les chercheurs estiment une économie potentielle de plus de 2 millions de dollars par an.

Regarder vers l'avenir

En plus d'économiser de l'espace et de l'argent, les chercheurs de Stanford ont déclaré que leur processus anaérobie présente un autre avantage :la capacité de digérer les médicaments pharmaceutiques et les puissants herbicides ménagers et industriels qui se sont avérés difficiles à digérer pour les bactéries aérobies standard.

C'est pourquoi McCarty pense que l'avenir appartient aux anaérobies robustes. "Ils se sont adaptés aux environnements les plus rudes de la Terre, " dit-il. " Ils peuvent manger presque tout. "

Le projet de démonstration à Redwood Shores devrait actuellement fonctionner jusqu'en mars 2021. La poursuite du projet et son intensification dépendront en partie de la capacité de ces microbes éructeurs de méthane à répondre aux attentes de McCarty.

« Nous pensons que ce prototype de système pourrait profiter aux contribuables en offrant une approche durable du traitement des eaux usées en cas de démonstration réussie, " a déclaré David Weightman de la California Energy Commission, qui a financé ce projet.

Pendant ce temps, les chercheurs ont une vision à long terme.

"Nous proposons de changer une technologie qui n'a pas changé depuis plus de cent ans, " a déclaré Hansen.