Thèse soutenue

Élimination de l'hydrogène sulfuré du biogaz synthétique à l'aide de bioréacteurs à biofilm anoxiques

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Auteur / Autrice : Ramita Khanongnuch
Direction : Piet N. L. Lens
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Sciences et Techniques de l'Environnement
Date : Soutenance le 21/05/2019
Etablissement(s) : Paris Est en cotutelle avec Tampereen yliopisto
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 : Gabriel David
Examinateurs / Examinatrices : Piet N. L. Lens, Giovanni Esposito, Eric Van Hullebusch, Aino-Maija Lakaniemi
Rapporteurs / Rapporteuses : Pavel Jeníček, Marta Izquierdo Rojo

Résumé

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L’objectif de cette étude a été de développer et étudier des bioréacteurs anoxiques pour l’élimination du soufre des flux de déchets liquides, et d’évaluer l’intégration du processus pour le traitement simultané des flux gazeux contaminés au H2S et des eaux usées contenant du NO3-.Les expériences relatives à l’oxydation du soufre dans la phase liquide ont été évaluées dans deux bioréacteurs à croissance fixe différents, à savoir un réacteur à lit fluidisé (RLF) et un réacteur filtrant sur lit mobile (RFLM), inoculés par une bactérie ayant la capacité de réduire les nitrates et d’oxyder le soufre (SO-NR). Les bioréacteurs ont été évalués sous différent ratios molaires azote/soufre (N/S) en utilisant le S2O32- et le NO3- comme source d’énergie et accepteur d’électrons, respectivement. Les résultats ont révélé que le RLF et le RFLM sont parvenus à des capacités d’extraction (CE) du S2O32- supérieures à 98 %, et à extraire complètement le NO3- au ratio N/S de 0,5. En conditions de forte limitation en nitrate (ratio N/S de 0,1), la CEx du S2O32- dans le RFLM (37,8 %) était supérieure à celle observée dans le RLF (26,1 %). En conséquence, le RFLM a montré une meilleure résilience à la limitation en nitrate que le RLF puisque la CEx du S2O32- a été ramenée à 94 % en une journée après restauration du ratio N/S à 0,5, alors que le RLF a pris 3 jours pour obtenir une CEx de 80 % pour le S2O32-. Les modèles de réseau neuronal artificiel ont pu être utilisés pour prédire les performances du RLF et du RFLM, à savoir la CE du S2O32- et du NO3-ainsi que la production de sulfate. La biomasse SO-NR développée dans le RFLM a été utilisée pour traiter simultanément les flux de déchets contenant du H2S et du NO3- dans un biofiltre (BF) anoxique. Le BF anoxique a obtenu une capacité d’élimination (CEl) maximale du H2S de 19,2 g de S m-3 h-1 (CEx) pour un apport de 20,0 g S m-3 h-1 (~500 ppmv) en H2S et un ratio N/S d’environ 1,7, respectivement. Comme certaines eaux usées contenant du NO3-peuvent contenir des produits organiques, le RLF anoxique inoculé avec du Paracoccus versatus souche MAL 1HM19 a été développé pour l’extraction simultanée du H2S, du NO3- et du carbone organique contenus dans les flux de déchets. Les résultats ont montré des taux d’extraction respectifs de 16,7 g NO3--N m-3 h-1 et 42,0 g d’acétate m-3 h-1, ce qui est supérieur aux valeurs observées dans le BF inoculé avec des autotrophes (11,1 g NO3--N m-3 h-1 et 10,2 g d’acétate m-3 h-1). Le BF anoxique a été opéré sous différentes conditions transitoires (i.e. gaz divers et plusieurs vitesses de flux de ruissellement liquides, un apport intermittent en NO3- et apports élevés en H2S) afin d’évaluer l’impact des modifications sur les variables du processus qui se produisent généralement dans les applications pratiques. Les différentes conditions transitoires ont significativement affecté la CEl du H2S dans le BF anoxique. En appliquant des apports élevés en H2S, la CEx du H2S a été presque totalement rétabli à 100 % dans les 40 heures suivant la reprise de l’opération normale. En résumé, le RFLM s’est montré plus efficace que le RLF pour l’extraction du S2O32. D’après un moment de récupération instantanée après tolérance des conditions transitoires, le RFLM anoxique et le RLF anoxique s’avèrent être de résilients et robustes systèmes de biofilms pour le traitement des composés soufrés réduits en conditions autotrophes et mixotrophes