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Technologie d’élimination in situ des nitrates dans les eaux souterraines

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Personne en charge de la pratique innovante :

Irene Jubany Güell – irene.jubany@eurecat.org

InSiTrate est une technologie développée par Eurecat (avant la fondation CTM Centre Technologique) dans le cadre du programme Life+, en collaboration avec les entreprises Amphos21 et Catalana de Perforacions. La Catalogne possède une grande partie des masses d’eau souterraines contaminées par les nitrates. Dans ce sens, ce consortium a développé une technologie d’élimination des nitrates in situ basée sur la biorémédiation.
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Les résultats de l’usine pilote sont prometteurs, atteignant des pourcentages d’élimination de la concentration en nitrates supérieurs à 80%. L’installation de traitement in situ est automatique et ne génère pas de déchets qui doivent être traités ou éliminés ultérieurement.

Le projet InSiTrate n’est pas une action de gestion mais une application technologique qui nécessite certaines conditions hydrogéologiques de l’aquifère pour son bon fonctionnement. Cependant, son approche locale, son faible coût et sa grande efficacité en font une référence intéressante pour le traitement des eaux souterraines.

Entité responsable

Eurecat, Centre technologique de Catalogne, favorise la compétitivité des entreprises et le bien-être de la société par la recherche appliquée et l’innovation.

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Eurecat est le principal centre technologique de Catalogne et la deuxième organisation privée d’Espagne en matière de collecte de fonds H2020. Il s’agit d’une entité spécialisée dans l’offre de services de R&D appliquée, technologique, de formation hautement spécialisée, de conseil technologique et d’événements professionnels pour les entreprises de tous les secteurs. Elle a participé à plus de 200 grands projets de consortium nationaux et internationaux de R&D&I de haute valeur stratégique et possède 88 brevets et 7 spin-offs.

Eurecat développe et optimise des technologies et des processus pour améliorer la gestion de l’eau, du sol et de l’air, ainsi que des ressources associées. Le centre mène des projets de recherche, de développement et d’innovation avec des entreprises de tous les secteurs pour améliorer la durabilité économique, environnementale et sociale.

Le centre utilise des outils de modélisation et d’expérimentation avancés à différentes échelles (laboratoire, usine pilote et échelle réelle) pour développer et valider de nouvelles technologies et leurs applications. Il travaille avec un large éventail de technologies de traitement des polluants pour limiter leur présence dans le milieu naturel, ainsi que pour récupérer les ressources en eau et soutenir la transition vers une économie circulaire.

L’expérience de l’Unité Eau, Air et Sol, combinée aux capacités des différentes unités technologiques d’Eurecat, permet d’apporter des solutions à des problèmes complexes et spécifiques dans un large éventail de secteurs : traitement de l’eau, industries chimiques, agroalimentaires, pharmaceutiques ou de base et biens d’équipement, entre autres.

Dans le secteur de l’eau, les principaux objectifs sont :

1. Le développement et l’optimisation de : La gestion de l’eau et des ressources associées, les procédés d’élimination des composés traces et/ou récalcitrants, le traitement des effluents et les technologies de traitement in-situ et ex-situ.

2. Procédés avancés de séparation, traitement biologique, oxydation avancée, électrochimique et désinfection pour le traitement des liquides.

3. Identification et évaluation des possibilités d’améliorer l’efficacité et de mettre en œuvre une économie circulaire.

4. Identification et développement de procédés de recirculation et de réutilisation en cascade dans les processus industriels.

5. Récupération des ressources en eau et des effluents liquides (nutriments, énergie, matières premières).

6. Outils de surveillance, de prédiction et d’assurance qualité dans les réseaux de distribution.

7. Études, modélisation et simulation du comportement et de la mobilité des polluants dans les sols et les eaux souterraines.

8. Procédés de biorémédiation avec des nanoparticules, atténuation naturelle contrôlée, barrières perméables réactives, oxydation chimique, stripping, etc.

9. Valorisation des déchets / sous-produits pour l’amélioration des propriétés physico-chimiques du sol.

Explication détaillée

Les technologies conventionnelles les plus couramment utilisées pour l’élimination des nitrates nécessitent d’abord l’extraction de l’eau pour un traitement ultérieur. Les technologies ex situ sont coûteuses et peuvent générer des sous-produits indésirables (déchets). Le projet Life+ InSiTrate montre la faisabilité d’une technologie in situ basée sur le processus de biorémédiation induite.

Les objectifs de Life+ InSiTrate étaient :

  1. Démontrer à l’échelle pilote la faisabilité de la technologie de biorémédiation in situ des eaux souterraines contaminées par les nitrates pour la production d’eau potable.
  2. Le développement d’un outil innovant de conception et de prédiction basé sur un modèle mathématique qui décrit le processus de biorémédiation in situ dans n’importe quel aquifère et aide à la conception de stratégies de remédiation optimales pour d’autres sites.
  3. L’étude de la faisabilité de la technologie in situ du point de vue technique, environnemental et économique, et la comparaison de cette technologie avec d’autres existantes en utilisant les mêmes indicateurs.
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Figura 2: Esquema planta piloto de Sant Andreu de Llavaneres. Recuperado de Layman’s Report

4. Promouvoir l’acceptation sociale de cette technologie et encourager la participation des parties prenantes et des groupes de travail au développement de la technologie.

5. L’étude de l’extrapolation de la technologie dans d’autres sites européens spécifiques pour démontrer son application potentielle.

Le processus de biorémédiation induite consiste en l’accélération du processus naturel de dénitrification par les micro-organismes présents dans l’aquifère affecté. Les nitrates sont transformés en azote gazeux par une séquence de réactions de réduction microbienne. Dans ce cas, l’injection de matière organique (acide acétique) dans l’aquifère induit une biorémédiation.

Pour réaliser le projet et construire l’usine pilote, une caractérisation hydrogéologique et chimique de l’aquifère (InSiTrate, n.d.) a été effectuée.

L’outil IST-InSiTrate est un instrument utile pour la prise de décision. Il simule le processus d’assainissement sous les différentes stratégies d’injection et caractéristiques hydrogéologiques afin d’identifier la configuration optimale des usines de dénitrification (InSiTrate, n.d.). En outre, il facilite la conception et la stratégie d’assainissement de l’aquifère, en définissant la configuration et les paramètres de fonctionnement de l’usine. (InSiTrate, 2017).

Description de la presse pilote

L’installation comporte deux puits d’injection (I1 et I2 ; Figure 2), un puits d’extraction à une distance de 30 m de I1 et I2, et trois piézomètres (P1, P2 et P3).

Les résultats du projet démontrent la réduction de la concentration de nitrate entre 80-100% dans les puits de surveillance et environ 30% dans les puits d’extraction.

Le principal problème était le bioclogging qui a été résolu en injectant la matière organique par impulsions et en effectuant des nettoyages périodiques.

La projection sociale pour mettre en œuvre des technologies innovantes était essentielle. Des approches ouvertes et une collaboration étroite entre les groupes de recherche et les groupes d’intérêts sociaux impliqués ont été nécessaires, générant une approche participative et intégrée au contexte social. Le plan de communication et de diffusion a été structuré en une série de tâches visant à informer les citoyens des objectifs et du développement du projet en plus de faciliter les résultats obtenus.

La technologie au niveau commercial exige que le système soit mis à l’échelle, pour cela l’installation de 5 puits d’injection est nécessaire pour créer la zone de réaction où la dénitrification sera accélérée (I. Jubany et al 2019).

Cadre institutionnel

Le centre de développement technologique Eurecat InSiTrate est encadré dans le programme LIFE+ de l’Union européenne avec la participation conjointe des entreprises Amphos21 et Catalana de Perforacions. L’Agence catalane de l’eau (ACA) et la mairie de Llavaneres collaborent également au projet.

Cadre géographique

La pollution par les nitrates provient d’activités anthropiques telles que l’application de fertilisants associée à de mauvaises pratiques en matière d’excréments du bétail, et constitue l’une des causes de non-respect de la directive-cadre sur l’eau en termes de qualité des ressources hydrogéologiques. En Catalogne, en particulier, il existe un niveau élevé de contamination des eaux souterraines associé à ce composé, atteignant 33% de la surface (ACA, n.d.) (Figure 1).

  La station pilote pour le traitement de la pollution par les nitrates dans l’aquifère alluvial du ruisseau de Llavaneres a été construite à 10 m du ruisseau Sant Andreu de Llavaneres (région de Maresme). L’aquifère alluvial est formé par des sédiments de sables grossiers et de limons du Quaternaire qui recouvrent une formation granitique (InSiTrate, 2017).

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historique

L’idée de restaurer les sols contaminés par le pétrole ou ses dérivés à l’aide de micro-organismes a été avancée en 1930 par Tausz et Donatli (K. Cota-Ruiz, 2019). C’est dans ce contexte lié au pétrole où les premières idées qui mettent les piliers de la biorémédiation apparaissent. La biorémédiation est une biotechnologie de plusieurs décennies, cependant, au cours des dernières années, différentes stratégies de biorémédiation ont été développées et améliorées (C. Della Rocca et al. 2007).

Les technologies in situ sont basées sur le traitement direct des eaux souterraines (par des processus chimiques ou biologiques) dans l’aquifère contaminé avant qu’il ne soit pompé, Les techniques ex situ en revanche, se concentrent sur le traitement des eaux contaminées une fois extraites à la surface (ACA, 2017). La pollution par les nitrates en Catalogne en ce qui concerne les technologies in situ est encore à un stade très précoce par rapport aux technologies ex situ actuellement plus développées.

L’une des méthodologies remarquables est celle utilisée dans le projet InSiTrate : la dénitrification hétérotrophe in situ. 

Preuve des avantages de la mise en œuvre

La technologie de biorémédiation utilisée dans le projet InSiTrate a démontré la faisabilité de l’élimination des nitrates dans les aquifères alluviaux avec des niveaux de réduction supérieurs à 80 % du polluant.

L’installation fonctionne automatiquement et ne nécessite pas de personnel. Elle ne génère pas de déchets, ce qui évite les problèmes et les coûts de gestion. 

L’application de cette technologie utilise l’aquifère comme réacteur et, en même temps, par rapport aux autres systèmes biologiques ex situ, elle consomme moins de réactifs. En ce sens, ces caractéristiques en font une technologie compétitive, économiquement parlant, par rapport aux systèmes ex-situ.

Potentiel de réplication dans la région SUDOE

Le projet InSiTrate propose une application technologique innovante afin de démontrer son efficacité et sa viabilité, en la liant à l’acceptation des agents sociaux à travers un processus de participation publique.

Cette technologie montre comment une action ponctuelle efficace dans un site ayant certaines caractéristiques peut être développée dans un aquifère poreux libre, avec une zone qui permet l’installation de puits dans un rayon de 30 m autour du puits d’approvisionnement. 

Bien évidemment, sa reproductibilité dépendra de facteurs géographiques, hydrogéologiques et économiques. Son niveau d’efficacité permet de la comparer à d’autres technologies existantes et d’envisager sa faisabilité.

Perspectives d’avenir

La concentration de nitrates dans les eaux souterraines est un problème croissant, lié à l’utilisation des sols et aux activités anthropiques. En ce sens, le développement de technologies de remédiation à haut rendement pour l’élimination ou la conversion des nitrates, économiques et faciles à utiliser, devrait être la clé pour résoudre les problèmes de qualité associés aux nitrates. Il faut noter l’importance des techniques in-situ qui évitent les grands travaux hors de l’aquifère et le prélèvement d’eau à traiter en dehors de celui-ci.

Points clés de la méthode innovante

  • Solution technologique très efficace pour l’élimination des nitrates.
  • Système automatisé contrôlé à distance facilitant la collecte dans les zones éloignées.
  • Encourage la participation de différents secteurs sociaux.

Remerciements

Cette pratique innovante a été suggérée par Irene Jubany, coordinatrice de recherche du domaine de la durabilité à Eurecat.

References

  1. Zonas vulnerables por nitratos de origen agrario. (s/f). Agencia Catalana del Agua. Recuperado el 25 de mayo de 2022, de https://aca.gencat.cat/es/laigua/el-medi-hidric-a-catalunya/zones-protegides-i-habitats/zones-vulnerables-per-nitrats-dorigen-agrari/
  2. Insitrate (2017) Layman’s Report recuperado de: http://insitrate.ctm.com.es/es/descargas/insitrate_layman_27_06.pdf/view 
  3. Insitrate. (s/f). El proyecto. http://Insitrate.Ctm.com.Es/Es/the-Project. Recuperado el 25 de mayo de 2022, de http://insitrate.ctm.com.es/es/the-project 
  4. Margalef-Marti, R., Carrey, R., Viladés, M., Jubany, I., Vilanova, E., Grau, R., Soler, A., & Otero, N. (2019). Use of nitrogen and oxygen isotopes of dissolved nitrate to trace field-scale induced denitrification efficiency throughout an in-situ groundwater remediation strategy. Science of the Total Environment, 686, 709–718. 
  5. Cota-Ruiz, K., Nuñez-Gastelúm, J. A., Delgado-Rios, M., & Martinez-Martinez, A. (2019). BIORREMEDIACIÓN: ACTUALIDAD DE CONCEPTOS Y APLICACIONES BIOREMEDIATION: CURRENT CONCEPTS AND APPLICATIONS. http://biotecnia.unison.mx
  6. Della Rocca, C., Belgiorno, V., & Meriç, S. (2007). Overview of in-situ applicable nitrate removal processes. Desalination, 204(1-3 SPEC. ISS.), 46–62. 
  7. INFORME FINAL DE PROJECTE Desenvolupament d’un prototip de sistema d’ajuda a la decisió i d’una base de dades sobre el territori, per tal de facilitar la presa de decisions sobre les properes inversions per a la instal·lació de tecnologies per al tractament de Nitrats a Catalunya. (2017). ACA

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