Traitement anaérobie et récupération des ressources à partir de gaz résiduaires et d'eaux usées riches en méthanol

Anaerobic treatment and resource recovery from methanol rich waste gases and wastewaters

• Auteur / Autrice : Tejaswini Gowda Madapura Eregowda
• Direction : Piet N. L. Lens
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et Techniques de l'Environnement
• Date : Soutenance le 23/05/2019
• Etablissement(s) : Paris Est en cotutelle avec Jardin botanique (Delft, Pays-Bas)
• 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 : Bo H. Svensson
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Piet N. L. Lens, Largus T. Angenent, Radu Tanja, Jukka Rintala, Giovanni Esposito, Eric Van Hullebusch, Marika Kokko
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Largus T. Angenent, Radu Tanja

Mots clés

Mots clés contrôlés

Acétates

Séléniates

Bioréacteurs

Teneur en méthanol

Thiosulfates

Mots clés libres

Sélénaté

Filtre biotrickling

Acides gras volatils

Effluents riches en méthanol

Thiosulfate

Réacteur UASB

Methanol rich effluents

UASB reactor

Thiosulphate

Selenate

Biotrickling filter

Volatile fatty acids

Résumé

Le méthanol est un composé organique volatil (COV) important, présent dans les effluents gazeux et liquides des industries de transformation telles que les pâtes à papier et papiers, la fabrication de peinture et les raffineries de pétrole. Aux États-Unis seulement, environ 55 377 tonnes de méthanol ont été émises dans l'atmosphère en 2017 et au moins 65% du total des émissions provenaient des usines Kraft des industries de la pâte à papier et du papier. Le traitement biologique anaérobie des effluents gazeux et liquides riches en méthanol a été testé dans des configurations de bioréacteurs, telles que des filtres à biotrickling (BTF) et des réacteurs à lit de boues anaérobie à flux ascendant (UASB). Les acides gras volatils (AGV) produits dans ces bioréacteurs ont été quantifiés et une analyse de bilan massique a été réalisée. Une élimination du méthanol en phase gazeuse ainsi qu'une réduction du thiosulfate (~ 1000 mg/L) ont été effectuées pendant 123 jours dans un BTF anoxique. Une capacité d'élimination maximale (ECmax) de 21 g/m3.h pour le méthanol et l'élimination complète du thiosulfate ont été atteintes. Pour examiner l'élimination du méthanol en phase gazeuse ainsi que la réduction du sélénate, un autre BTF anoxique a été mis en œuvre pendant 89 jours sous une alimentation par étapes et continue en sélénate. L'efficacité d'élimination du sélénate était respectivement > 90% et ~ 68% au cours d'une alimentation par étapes et continue en sélénate et une ECmax de méthanol de 46,4 g/m3.h. La bioréduction anaérobie du sélénate couplée à l'oxydation du méthane a été étudiée dans des réacteurs discontinus et un BTF inoculé avec un sédiment marin et opéré pendant 348 jours et une réduction complète pouvant atteindre 143 mg/L de sélénate alimenté par étapes a été obtenue. En outre, les effets de différentes concentrations de sélénate, de sulfate et de thiosulfate, individuellement, sur l'utilisation du méthanol pour la production d'AGV ont été examinés dans des systèmes de traitement par lots. Pour l'étude sur le méthanol en phase liquide, l'acétogénèse du condensat encrassé (FC) obtenu dans une industrie de réduction en pâte chimique a été testée dans trois réacteurs UASB fonctionnant à 22, 37 et 55 °C pendant 51 jours. Une efficacité d'élimination maximale du méthanol de 45% dans le réacteur à 55 °C et une élimination presque complète de l'éthanol et de l'acétone ont été obtenues dans tous les réacteurs UASB. Avant l’acétogénèse du FC, les réacteurs UASB ont été mis en fonctionnement pendant 113 jours dans des conditions rapportées induir une acétogenèse des eaux usées synthétiques riches en méthanol. La récupération d’AGV a été explorée au moyen d’études d’adsorption utilisant des résines échangeuses d’anions dans des systèmes de traitement par lots. La capacité d'adsorption de différents AGV sur Amberlite IRA-67 et Dowex optipore L-493 a été examinée en ajustant les données expérimentales à des modèles isothermes et cinétiques d'adsorption. Ensuite, un processus séquentiel par lots a été testé pour obtenir une séparation sélective de l'acétate du mélange d'AGV

Methanol is an important volatile organic compound (VOC) present in the gaseous and liquid effluents of process industries such as pulp and paper, paint manufacturing and petroleum refineries. An estimated 55,377 tonnes of methanol was emitted to the atmosphere in the year 2017 in the United States alone and at least 65% of the total emission was from the Kraft mills of the pulp and paper industries. The anaerobic biological treatment of methanol-rich gaseous and liquid effluents was tested in two bioreactor configurations, namely a biotrickling filter (BTF) and an upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactor. The volatile fatty acids (VFA) produced in these bioreactors were quantified and a mass balance analysis was carried out. Gas-phase methanol removal along with thiosulfate (~ 1000 mg/L) reduction was carried out for 123 d in an anoxic BTF. A maximum elimination capacity (ECmax) of 21 g/m3.h for methanol and complete removal of thiosulfate was achieved. To examine the gas-phase methanol removal along with selenate reduction, another anoxic BTF was operated for 89 d under step and continuous selenate feeding, wherein the selenate removal efficiency was > 90% and ~ 68%, respectively, during step and continuous selenate feed and a methanol ECmax of 46.4 g/m3.h was achieved. The anaerobic bioreduction of selenate coupled to methane oxidation was investigated in batch reactors and a BTF inoculated with marine sediment and operated for a period of 348 d. Complete reduction of up to 143 mg/L of step fed selenate was achieved in the BTF. Furthermore, the effect of selenate, sulfate and thiosulfate on methanol utilization for VFA production was individually examined in batch systems. For the study on liquid-phase methanol, acetogenesis of foul condensate (FC) obtained from a chemical pulping industry was tested in three UASB reactors operated at 22, 37 and 55 ºC for 51 d. A maximum methanol removal efficiency of 45% in the 55 ºC reactor and nearly complete removal of ethanol and acetone in all UASB reactors was achieved. Prior to acetogenesis of the FC, the UASB reactors were operated for a period of 113 d under conditions reported to induce acetogenesis of methanol-rich synthetic wastewater. The recovery of VFA was explored through adsorption studies using anion exchange resins in batch systems. The trends and capacity of adsorption of individual VFA on Amberlite IRA-67 and Dowex optipore L-493 were examined by fitting the experimental data to adsorption isotherm and kinetic models. Subsequently, a sequential batch process was tested to achieve selective separation of acetate from the VFA mixture