Optimisation de l'approvisionnement en donneur d'électrons pour les bioréacteurs sulfato-réducteurs destinés au traitement des eaux usées inorganiques

Optimization of the electron donor supply to sulphate reducing bioreactors treating inorganic wastewater

• Auteur / Autrice : Luis Reyes Alvarado
• Direction : Michel Madon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et Techniques de l'Environnement
• Date : Soutenance le 16/12/2016
• Etablissement(s) : Paris Est en cotutelle avec Università degli studi (Cassino, Italie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Géomatériaux et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne) - Laboratoire Géomatériaux et Environnement / LGE
• Jury : Président / Présidente : Eric Van Hullebusch
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Madon, Giovanni Esposito, Piet N. L. Lens, René R. Eldon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Artin Hatzikioseyian, Erkan Sahinkaya

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sulfates

Électrons

Bioréacteurs

Eaux usées

Mots clés libres

Donneur d'électrons

Bactéries sulfato-Réductrices

Réacteurs

Electron donor

Sulfate reducing bacteria

Reactors

Résumé

Une grande quantité des eaux usées, particulièrement celles provenant de l'industrie minière, des fermentations et du traitement des aliments, contiennent-elles des concentrations élevées de sulfate (SO42-). SO42- réduction est une problématique sérieuse au niveau environnemental sous conditions qui ne sont pas contrôlées, cette problématique peut résulter en la libération de sulfure toxique vers l'environnement. Les caractéristiques typiques des eaux usées riches en SO42- sont 0.4-20.8 g SO42-.L-1, faible pH, élevé potentiel oxydatif, faible o négligeable demande chimique d'oxygène (DCO) et hautes concentrations de métaux lourds (drainage minier acide) que peuvent drastiquement endommager la flore et la faune des masses d'eau. L'objectif de cette thèse est d'étudier l'effet du donneur d'électrons sur le processus biologique RS par des bactéries réductrices de sulfate dans des bioréacteurs. Le processus biologique RS a été étudié à l'aide de polymères à base d'hydrate de carbone (PBHC) et biodéchets lignocellulosiques (L) comme des donneurs de libération lente d'électrons (PBCH-DLLE et L-DLLE, respectivement) dans des bioréacteurs discontinus et des bioréacteurs fonctionnant en continu inverse à lit fluidisé (ILF). Les ILF ont été rigoureusement testé pour RS sous haute vitesse et (alimentation-pénurie de nourriture) des conditions d'alimentation transitoires. Dans une autre configuration du bioréacteur, un bioréacteur séquentiel, l'effet de la concentration initiale SO42- sur le démarrage du réacteur a été étudié. Par ailleurs, l'effet de la concentration initiale du donneur d'électrons, NH4+ et SO42- ont été évalués dans des bioréacteurs de traitement par lots aussi bien. La robustesse et la résilience de RS a été démontrée dans les ILF en utilisant le lactate comme donneur d'électrons, dans lequel l'efficacité d'élimination de SO42- (EES) était comparable dans la période d’alimentation (67 ± 15%) de ILF2 aux conditions d'alimentation stables (71 ± 4%) dans même ILF2 et ILF1, le réacteur de commande (61 ± 15%). De la modélisation des réseaux de neurones artificiels et de l'analyse de sensibilité des données de fonctionnement de ILF2, il était prévu que les concentrations de SO42- influents ont affecté le rendement d'élimination de la DCO, la production de sulfure et des changements de pH. Dans un autre ILF3 à un rapport DCO:SO42- de 2.3, RS dans des conditions de taux élevés (CTE = 0.125 d) était 4,866 mg SO42- L-1 d-1 et un EES de 79% a été remporté. Par ailleurs, le second ordre Grau et les modèles d'enlèvement de substrat Stover-Kincannon équipés de la performance du réacteur à haut débit avec r2 > 0.96. Le rapport DCO:SO42- était le principal facteur affectant la RS. Dans des bioréacteurs par lots, en utilisant du papier filtre PBCH-DLLE, la RS a été réalisée à EES > 98%. Avec l'utilisation de scourer comme L-DLLE, un EES de 95% a été remporté. Cependant, lorsque la lavette est utilisée comme matériau de support de L-DLLE dans un ILF4, le RS a montré 38% (± 14) de EES entre 10-33 d de fonctionnement. La SR était limitée par le taux d'hydrolyse-fermentation et, par conséquent, la complexité de la DLLE. L'utilisation du donneur d'électrons pour le processus RS a simultanément amélioré aux concentrations de donneurs d'électrons initial décroissants

Many industrial wastewaters, particularly from the mining, fermentation and food processing industry contain high sulphate (SO42-) concentrations. SO42- reduction (SR) is a serious environmental problem under non-controlled conditions, which can result in the release of toxic sulphide to the environment. Typical characteristics of SO42--rich wastewater are 0.4-20.8 g SO42-.L-1, low pH, high oxidative potential, low or negligible chemical oxygen demand (COD) and high heavy metals concentrations (acid mine drainage), that can dramatically damage the flora and fauna of water bodies. The aim of this PhD is to study the effect of electron donor supply on the biological SR process by sulphate reducing bacteria in bioreactors. The biological SR process was studied using carbohydrate based polymers (CBP) and lignocelulosic biowaste (L) as slow release electron donors (CBP-SRED and L-SRED, respectively) in batch bioreactors and continuously operated inverse fluidized bed bioreactors (IFBB). IFBB were vigorously tested for SR under high rate and transient (feast-famine) feeding conditions. In another bioreactor configuration, a sequencing batch bioreactor, the effect of the initial SO42- concentration on the reactor start-up was investigated. Besides, the effect of the initial concentration of electron donor, NH4+, and SO42- were evaluated in batch bioreactors as well. The robustness and resilience of SR was demonstrated in IFBB using lactate as the electron donor wherein the SO42- removal efficiency (SRE) was comparable in the feast period (67 ± 15%) of IFBB2 to steady feeding conditions (71 ± 4%) in the same IFBB2 and to IFBB1, the control reactor (61 ± 15%). From artificial neural network modeling and sensitivity analysis of data of IFBB2 operation, it was envisaged that the influent SO42- concentrations affected the COD removal efficiency, the sulphide production and pH changes. In another IFBB3 at a COD:SO42- ratio of 2.3, SR under high rate conditions (HRT=0.125 d) was 4,866 mg SO42-. L-1 d-1 and a SRE of 79% was achieved. Besides, the Grau second order and the Stover-Kincannon substrate removal models fitted the high rate reactor performance with r2 > 0.96. The COD:SO42- ratio was the major factor affecting the SR. In batch bioreactors, using filter paper as CBP-SRED, SR was carried out at > 98% SRE. Using scourer as L-SRED, a 95% SRE was achieved. However, when the scourer was used as the L-SRED carrier material in an IFBB4, the SR showed 38 (± 14) % SRE between 10-33 d of operation. The SR was limited by the hydrolysis-fermentation rate and, therefore, the complexity of the SRED. Concerning sequencing batch bioreactor operation, the SR process was affected by the initial SO42- concentration (2.5 g SO42-.L-1) during the start-up. The sequencing batch bioreactor performing at low SRE (< 70%) lead to propionate accumulation, however, acetate was the major end product when SRE was > 90%. In batch bioreactors, the NH4+ feast or famine conditions affected the SR rates with only 4% and the electron donor uptake was 16.6% greater under NH4+ feast conditions. The electron donor utilization via the SR process improved simultaneously to the decreasing initial electron donor concentrations. This PhD research demonstrated that the SR process is robust to transient and high rate feeding conditions. Moreover, SR was mainly affected by the approach how electron donor is supplied, e.g. as SRED or as easy available electron donor, independently of the COD:SO42- ratio. Besides, the electron donor and SO42- utilization were affected by the lack or presence of nutrients like NH4+