Étude des conditions de culture d'un écosystème complexe microalgues / bactéries : application au développement d'un procédé d'extraction-valorisation des nutriments issus des digestats

Study of culture conditions of a complex ecosystem microalgae / bacteria : application to the development of an extraction-valorisation process

• Auteur / Autrice : Cyril Marcilhac
• Direction : Fabrice Béline, Nicolas Bernet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 18/12/2014
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière (Rennes ; 1996-2016)
• Partenaire(s) de recherche : PRES : Université européenne de Bretagne (2007-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture (France ; 2012-2019) - GERE

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écosystèmes

Méthanisation

Cultures

Microalgues

Mots clés libres

Microalgues

Bactéries

Digestat

Couleur

Lumière

Ratio N/P

Co2

Srt

Modélisation

Dimensionnement

Microalgae

Bacteria

Digestate

Color

Light

N:P ratio

Co2

Srt

Modelisation

Design

Résumé

Les conditions de culture de microalgues autotrophes en système ouvert associant microalgues / bactéries ont été étudiées au cours de ce travail de thèse. L'objectif était de développer un procédé de valorisation des nutriments (N, P) contenus dans la phase liquide des digestats issus de méthanisation agricole. Dans un premier temps, une synthèse sur les filières de méthanisation suivi d'un état de l'art sur les microalgues et leurs conditions de culture ont permis de mettre en évidence les principaux paramètres d'influence spécifiques à l'influent étudié, tels que la coloration, et les interactions avec les processus de nitrification/dénitrification. Ainsi, dans le but de mieux comprendre les mécanismes et d'évaluer les impacts des paramètres principaux, un pilote de laboratoire composé de 6 réacteurs de 2,5 litres a été conçu et des analyses spécifiques ont été développées au laboratoire. A partir de ces outils, l'effet de la couleur et de la lumière sur la pénétration de la lumière et sur la croissance algale a été quantifié. Ensuite, l'influence du ratio N/P du milieu a été testée, ce qui a permis de mettre en exergue le stockage du phosphore par les microalgues, leur permettant de continuer leur croissance lorsque le phosphore du milieu est épuisé. Par la suite, le transfert du dioxyde de carbone et son impact sur la croissance des microalgues ont été étudiés. La productivité algale est fonction de la quantité de CO2 fournie à la culture et chute à 0 sans injection. Enfin, l'étude du temps de séjour des solides et de leur fréquence d'extraction a révélé que la nitrification-dénitrification est un mécanisme important d'élimination de l'azote dans une culture algale en continu et en système ouvert. Il peut même s'avérer prédominant par rapport à l'assimilation de l'azote par les microalgues dans certaines conditions. La proportion de chacun de ces processus peut néanmoins être contrôlée par ces paramètres. Ces expérimentations ont par ailleurs permis de mieux comprendre les interactions entre microalgues et bactéries nitrifiantes ainsi que la prédominance des genres d'algues en fonction des conditions de culture. Les microalgues sont de meilleures compétitrices sur le phosphore que les bactéries nitrifiantes. De plus, lorsque le phosphore n'est pas limitant, la nitrification est réduite en proportion de la productivité algale. En cas de limitation en phosphore et avec une faible lumière disponible, les genres d'algues qui se sont montrés dominants sont Scenedesmus sp. et Chlorella sp. Respectivement. Les essais expérimentaux ont été complétés par le développement ou l'adaptation de modèles biocinétiques capables de représenter la croissance algale et l'épuration assez fidèlement. A partir de cette modélisation, différentes configurations ont été simulées pour dimensionner un lagunage algal à haut rendement et ainsi mieux comprendre et apprécier la faisabilité d'une culture algale pour extraire les nutriments des digestats.

The culture conditions of autotrophic microalgae in open system associating microalgae/bacteria were studied in this thesis. The objective was to develop a process to valorize nutrients (N, P) contained in the liquid phase of digestate coming from agricultural methanization. First, a synthesis of anaerobic digestion process followed by a state of art on microalgae and their culture conditions allowed to highlight the main parameters specific to the studied influent, such as coloration, and the interactions with nitrification-denitrification processes. To better understand the mechanisms and study the impact of the main parameters, a laboratory-scale pilot composed of six 2.5L-reactors was designed and specific analyses were developed at the laboratory. With the help of those tools, effects of color and light on light penetration and on microalgae growth were quantified. Then, the study of the N:P ratio of the medium allowed to highlight the phosphorus storage by microalgae, allowing them to continue their growth while the phosphorus of the medium was depleted. Thereafter, the carbon dioxide transfer and its impact on microalgae growth were studied. The algal productivity is a function of the quantity of provided CO2 into the culture and fall to zero without injection. Finally, the study of solid retention time and extraction rate revealed that nitrification-denitrification is an important mechanism for nitrogen removal in a continuous algae culture in open system. This mechanism may even be predominant compared to nitrogen assimilation by microalgae under certain conditions. The proportion of each of these processes may still be controlled by these parameters. These experiments have also provided insight into the interactions between microalgae and nitrifying bacteria and the predominance of algae genera depending on culture conditions. Microalgae are better competitors on phosphorus than nitrifying bacteria. Furthermore, in non-limiting phosphorus conditions, nitrification is reduced in proportion to algal productivity. Scenedesmus and Chlorella proved to be dominant respectively when phosphorus and light are limiting. The experimental trials were completed by the development or the adaptation of biokinetic models able to represent quite accurately microalgae growth and nitrogen removal. From this model, different configurations were simulated to design high rate algal pond and assess the feasibility of the algal culture to extract nutrients from digestate.