Le principe du bioréacteur est, en conditions contrôlées, d’augmenter la surface de contact entre les contaminants présents dans la matrice ciblée et les microorganismes responsables de leur biodégradation présents dans le système.
Deux procédés de réacteurs biologiques sont principalement utilisés pour le traitement de l’eau contaminée, soit le système de culture microbienne en suspension et le système à biomasse fixée. Dans les deux cas, l’eau provenant du site est mise en contact avec des microorganismes adaptés pour la biodégradation des contaminants ciblés, en circulant dans un bassin d’aération ou sur un biofilm. Les microorganismes peuvent être indigènes ou peuvent provenir d’un inoculum.
L’eau constitue la principale matrice à traiter, mais des bioréacteurs de type « slurry phase » peuvent aussi être utilisés pour le traitement des sols, des sédiments, des boues ou d’autres solides contaminés. Dans ces cas, les sols ou autres solides contaminés sont d’abord excavés et tamisés afin de ne conserver que les fractions fines. Ces dernières sont mélangées à l’eau et d’autres substrats afin de les maintenir en suspension pendant le traitement et pour qu’elles soient en contact avec les microorganismes afin de favoriser la biodégradation.
D’autres types de réacteurs sont aussi en développement, selon le type de contaminant à traiter.
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Dans un système de culture microbienne en suspension, l’eau contaminée ou celle contenant la fraction fine circule dans un bassin ou réservoir d’aération contenant des microorganismes en suspension. Les microorganismes sont maintenus en suspension à l’aide d’aération pneumatique ou d’une agitation mécanique. La biodégradation des contaminants se produit habituellement lors de processus aérobies, bien que des processus anaérobies sont aussi possibles. La biomasse résultant du processus peut être clarifiée et retournée dans le système ou accumulée sous forme de boue pour être disposée.
Ces systèmes peuvent prendre différentes configurations :
Le réacteur de boues activées inclut une boue de matière organique et une population de microorganismes qui permet de traiter l’eau contaminée en condition aérobie.
Le réacteur à lit fluidisé utilise des matériaux granulaires ou solides (sable, charbon activé ou perles) sur lesquels se trouvent des microorganismes qui sont maintenus en suspension dans l’eau à traiter afin d’assurer un contact entre ces derniers et les contaminants. Les effluents provenant de ce système sont continuellement recyclés dans le système.
Dans un réacteur biologique séquentiel, le traitement est basé sur le temps plutôt que sur l’écoulement pour le contact entre les microorganismes et les contaminants. Dans ce système, toute l’eau contaminée est incluse dès le début (batch), traitée pour l’enlèvement des contaminants, puis rejetée. Les microorganismes sont inclus dans le système pendant le procédé. La boue créée est ensuite aérée jusqu’à ce que la réaction soit complétée.
Les bioréacteurs à membrane permettent de combiner les étapes de clarification, d’aération et de filtration à l’intérieur d’un même procédé. Cette technologie est considérée comme très performante, laissant une empreinte minimale et ayant une opération simplifiée.
Les bioréacteurs à biomasse fixée sont disponibles en plusieurs configurations comme les bioréacteurs à filtres rotatifs, où les microorganismes sont fixés sur un disque circulaire qui tourne dans l’affluent contaminé afin d’amorcer le traitement. Les réacteurs à lit bactérien incluent une matrice perméable (roc, plastique ou bois), un système de distribution d’eau et un système de drainage. L’eau contaminée s’écoule à débit constant pour favoriser son contact avec la matrice et favoriser le développement d’un biofilm. Les bioréacteurs à film fixé sont caractérisés par de grandes surfaces qui favorisent la colonisation microbienne. Ce support est généralement adsorbant, ce qui retient les contaminants tout en les libérant lentement afin que les microorganismes puissent les dégrader.
La taille des bioréacteurs peut varier de plusieurs ordres de grandeur en fonction du volume d’eau ou de solides à traiter. Dans tous les cas, les conditions environnementales à l’intérieur du bioréacteur doivent être contrôlées afin d’optimiser les taux d’activité biochimique des microorganismes.
La mise en œuvre d’un bioréacteur peut inclure :
- la mobilisation, l’accès au site et la mise en place d’installations temporaires;
- la mise en place d’un système de pompage des eaux souterraines contaminées incluant les puits, tranchées de collecte et/ou drain perméable ainsi que les équipements de pompage;
- l’excavation des sols ou sédiments contaminés ainsi que la mise en place des équipements nécessaires pour séparer les fractions grossières et fines;
- la mise en place des équipements nécessaires pour le mélange des particules fines à l’eau;
- l’installation des équipements du bioréacteur (peut nécessiter l’aménagement d’un bâtiment ou d’un conteneur);
- la mise en place de réservoirs pour la récupération des boues résultant du traitement ou des sols traités;
- les équipements de traitement des vapeurs résultant du processus de traitement au besoin;
- les équipements d’évacuation de l’eau traitée (pour réinjection dans le sol à l’aide de puits, un rejet dans un système d’égout ou dans les eaux de surface).
Ce type de système doit généralement faire l’objet d’un essai pilote avant son implantation à pleine échelle.
Matériaux et entreposage
- L’aménagement des puits, des tranchées de collecte et/ou des drains perméables est exécuté à l’aide de méthodes et d’équipement traditionnels/courants facilement disponibles pour des travaux d’installation de puits, de système de drainage, d’aqueduc ou de service public;
- Le bioréacteur peut être construit sur place ou être préassemblé et acheminé sur le site à l’intérieur d’un conteneur, sur une remorque ou un camion;
- Le fonctionnement du bioréacteur nécessite de l’énergie et des produits tels que des substrats, de l’eau, des nutriments, de l’inoculum, etc.;
- Les activités d’aménagement de ce type de système ont généralement peu d’impact, mais peuvent nécessiter de l’entreposage sur le site, notamment les résidus produits (sols traités, biomasse, boues, etc.).
Résidus et rejets
En général, les bioréacteurs détruisent les contaminants. Certains résidus, tels que des boues peuvent être produites lors de ce traitement.
La mise en place des systèmes permettant de pomper l’eau ou l’excavation des sols contaminés à traiter peut entraîner la manipulation de sols contaminés qu’il faudra potentiellement disposer hors site.
Les sols résultant du traitement et les boues provenant du réacteur doivent être récupérés; ils sont remis sur le site ou disposés hors site. La nature de ces rejets devra être déterminée afin d’en faire une disposition adéquate.
L’eau souterraine traitée doit respecter les critères applicables pour son rejet. Toutefois, il se pourrait que les rejets contiennent des sous-produits ou un pH inacceptable, pouvant représenter un danger pour les récepteurs et requérir une étape de polissage.
Des émanations possibles de vapeurs résultant du traitement peuvent aussi constituer un rejet provenant du bioréacteur.
Fiche rédigée par : Claudie Bonnet, M. Sc. , Conseil national de recherches
Mise à jour par : Jennifer Holdner, M.Sc., Travaux publics et Services gouvernementaux Canada
Date de mise à jour : 12 avril 2016
Dernière mise à jour par : Nathalie Arel, P.Eng., M.Sc., Christian Gosselin, P.Eng., M.Eng. and Sylvain Hains, P.Eng., M.Sc., Golder Associés Ltée
Date de mise à jour : 22 mars 2019
