Au cours du traitement biologique des eaux usées, les bactéries aérobies présentes dans les boues activées oxydent la matière organique et transfèrent les électrons issus de l’oxydation à l’oxygène. Il est alors nécessaire d’aérer l’intégralité du bassin de traitement de façon intensive, ce qui entraine un coût énergétique important. Le tuba électro-microbien, ou biotuba, se présente sous la forme d’une électrode unique avec une partie haute cathodique aérobie et une partie basse anodique anaérobie. Les bactéries électroactives anodiques oxydent la matière organique en condition anaérobie en transférant les électrons à l’électrode. Ces électrons sont évacués au niveau de la partie cathodique qui assure la réduction de l’oxygène. Ce type de traitement permet de diminuer le coût d’aération en passant d’une aération intensive de tout le bassin à une aération la plus réduite possible, uniquement de la partie cathodique. La thèse a eu pour objectif d’optimiser un biotuba pour le traitement des eaux usées domestiques en diminuant au maximum le besoin d’aération. Le biotuba a été caractérisé par le suivi de son potentiel, des abattements de matière organique et des populations microbiennes impliquées dans les parties anodique et cathodique de l’électrode.
Le premier type d’aération réalisé en continu sur la partie haute n’est pas concluant car il est difficile de maintenir une partie haute aérobie et une partie basse anaérobie sur le long terme. Une aération séquentielle est alors testée. L’aération séquentielle a déjà été développée pour des électrodes dites bidirectionnelles, qui se comportent en anode ou en cathode selon les conditions expérimentales (ajout de substrat ou d’oxygène). L’impact d’une aération séquentielle est d’abord évalué sur une électrode bidirectionnelle en eaux usées domestiques avant de l’appliquer au biotuba. L’électrode bidirectionnelle assure des densités maximales de courant d’oxydation de l’ordre de 6,4 A/m2 , c’est-à-dire au niveau des meilleures performances reportées dans la bibliographie avec des eaux usées domestiques réelles. L’étude des populations microbiennes montre que le biofilm évolue peu au cours du temps et est peu sensible aux changements de conditions, ce qui donne une électrode bidirectionnelle robuste qui maintient ses performances au cours du temps.
Ce protocole est alors appliqué aux biotubas dans les eaux usées domestiques avec une aération séquentielle de la partie haute cathodique. La partie basse anodique reste anaérobie. L’objectif est d’abattre le maximum de matière organique tout en aérant au minimum. Les résultats indiquent que le potentiel du biotuba est un paramètre clé pour son pilotage. Ce dernier oscille entre 0 et +0,1 V/ECS lors des phases aérobies et entre -0,4 à -0,5 V/ECS lors des phases anaérobies. Le passage du potentiel haut au potentiel bas correspond à la période d’activité du biotuba pendant laquelle il assure l’oxydation de la matière organique et donc un abattement de la DCO. Cette dernière dure environ 30 minutes, alors que l’abattement cesse dès l’arrêt de l’aération pour les contrôles sans biotuba. Il est également apparu qu’une période trop longue sans aération n’est pas utile (activité du biotuba de 30 minutes) mais qu’une aération trop importante gêne le développement du biofilm anodique, du fait de la compétition avec les bactéries aérobies. Les biotubas avec une aération de 30 minutes toutes les 5 heures 30 ont assuré un abattement de 3 à 6,3 fois plus important que les contrôles. Des communautés microbiennes différentes se développent alors selon les conditions aérobies/anaérobies de chaque zone du biotuba.
Une autre stratégie de gestion de l’oxygène a été développée. Elle permet d’abattre jusqu’à 75% de la matière organique contre aucun abattement pour les contrôles en milieu synthétique optimal. En eaux usées réelles, l’abattement est 2,8 fois plus important que pour les contrôles. Un brevet est en cours de dépôt sur cette nouvelle technologie.