Minéralisation des antibiotiques par procédé électro-Fenton et par procédé combiné électro-Fenton : traitement biologique : application à la dépollution des effluents industriels

Mineralization of antibiotics by electro-Fenton process and by combined process electro-Fenton : biological treatment : application to the elimination of the industrial effluents' pollution

• Auteur / Autrice : Dorsaf Mansour
• Direction : Abdeltif Amrane, Nizar Bellakhal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 21/05/2015
• Etablissement(s) : Rennes 1 en cotutelle avec Institut National des Sciences Appliquées et de Technologie (Tunisie)
• 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 des Sciences Chimiques de Rennes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Eau -- Épuration -- Traitement biologique

Minéralisation (biologie)

Antibiotiques

Mots clés libres

Antibiotique

Effluent industriel

Minéralisation

Électro-Fenton

Procédé combiné

Traitement biologique

Antibiotic

Industrial effluent

Mineralization

Combined process

Electro-Fenton

Biological treatment

Résumé

La présence des antibiotiques à usage humain et vétérinaire dans l’écosystème aquatique, est devenue un problème écologique sérieux. En effet, ces substances résistent aux traitements des stations d’épuration, ce qui engendre leur introduction et accumulation dans l’environnement. Par conséquent, le développement de méthodes efficaces pour le traitement de ces polluants est nécessaire. La première partie de ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre de la dégradation des antibiotiques par procédé électro-Fenton. Ce procédé consiste à produire in situ des espèces fortement oxydantes, les radicaux hydroxyle, permettant la dégradation totale des composés organiques persistants. La sulfaméthazine (SMT) et le triméthoprime (TMP) ont été choisis comme composés modèles, en raison de leur détection régulière dans les effluents des stations d’épuration, les eaux de surface et les eaux souterraines. Dans cette première partie, nous avons examiné l’influence de différents paramètres expérimentaux, sur l’efficacité du procédé électro-Fenton. Les conditions opératoires optimales nécessaires pour la dégradation totale des deux antibiotiques étudiés, ont été également déterminées. En outre, les produits intermédiaires aromatiques générés lors de la dégradation des deux antibiotiques, ont été identifiés. Leur évolution durant l’électrolyse a été également suivie. La deuxième partie est consacrée à l’étude de la minéralisation de la SMT et du TMP par procédé électro-Fenton. Les résultats obtenus indiquent que les taux de minéralisation de la SMT et du TMP sont respectivement de 91 et 85% après dix-huit heures de traitement. Les acides carboxyliques formés, ainsi que les ions inorganiques libérés ont été identifiés, leur évolution a été suivie au cours du traitement. De plus, en se basant sur les différents sous-produits générés, nous avons proposé des mécanismes réactionnels pour la minéralisation de la SMT et du TMP par procédé électro-Fenton. La troisième partie de ce travail porte sur l’étude de la minéralisation des deux antibiotiques considérés par couplage du procédé électro-Fenton et d’un traitement biologique. La SMT et le TMP, ont été prétraités par procédé électro-Fenton, ce qui a conduit à leur dégradation totale, avec des taux de minéralisation faibles. Par la suite, un traitement biologique a été effectué durant 20 jours, les taux globaux de minéralisation ont alors augmenté pour atteindre 81 et 68% pour respectivement la SMT et le TMP. Dans une dernière partie, nous avons procédé à la minéralisation de deux effluents industriels, contenant les antibiotiques étudiés, par couplage du procédé électro-Fenton et d’un traitement biologique. Les taux de minéralisation globaux obtenus sont de 81 et 89% pour respectivement l’effluent SMT et l’effluent TMP. Ce qui prouve la pertinence du procédé combiné, pour le traitement des effluents industriels.

The occurrence of human and veterinary antibiotics in the aquatic ecosystem becomes a serious environmental problem. These compounds cannot be treated by wastewater treatment plants, resulting in their entry and accumulation to measurable levels in the environment. Over the last decade, the conventional biological processes were used for wastewater treatment, but did not appear to be enough effective when dealing with wastes containing antibiotics, owing to the important recalcitrance of these compounds. Therefore, the development of efficient methods to treat antibiotics is needed. The first part of this thesis is focused on the degradation of antibiotics by electro-Fenton process. This process consists in producing in situ strongly oxidizing species, hydroxyl radicals, allowing the total degradation of persistent and toxic organic compounds. Sulfamethazine (SMT) and trimethoprim (TMP) were selected as model compounds, because of their regular detection in the effluents of sewage plants, surface water and groundwater. In this first part, we examined the influence of various operating parameters, on the efficiency of electro-Fenton process. The optimal operating conditions necessary for the removal of the studied antibiotics, were also determined. Moreover, the aromatic intermediate products, generated during antibiotics degradation, were identified. Their evolution during electrolysis was also followed. The second part is devoted to the study of mineralization, of SMT and TMP, by the electro-Fenton process. The obtained results indicate that the yields of SMT and TMP mineralization were 91 and 85%, respectively after eighteen hours of treatment. The identification and monitoring of short chain carboxylic acids and released inorganic ions during the treatment, were carried out. Furthermore, based on the identified by-products, we proposed a plausible mineralization reaction pathway for SMT and TMP. The third part of this work concerns the study of the mineralization of considered antibiotics by a combined process coupling an electro-Fenton pretreatment and a biological degradation. SMT and TMP were pretreated by the electro-Fenton process, which led to their total degradation, with low levels of mineralization, ensuring significant residual organic content for a subsequent biological treatment. Afterwards, biological treatment was performed during 20 days and showed that the level of overall mineralization increased to reach 81 and 68% for SMT and TMP, respectively. In a last part, we carried out the mineralization of two industrial effluents containing SMT and TMP, by combining electro-Fenton and activated sludge treatment. Overall mineralization yields of the combined process of 81 and 89% were obtained for SMT effluent and TMP effluent, respectively. This result confirms the relevance of combined process, even for the treatment of industrial effluents.