Aperçus sur la récupération, la caractérisation et la valorisation des substances polymères extracellulaires (EPS) à partir de boues granulaires appliquées dans des systèmes innovants de traitement des eaux usées

Insights on the recovery, characterization and valorization of Extracellular Polymeric substances (EPS) from granular sludge applied in innovative wastewater treatment systems

• Auteur / Autrice : Benedetta Pagliaccia
• Direction : Etienne Paul, Yolaine Bessière, Tommaso Lotti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 20/06/2022
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA en cotutelle avec Université de Florence
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : TBI - Toulouse Biotechnology Institute, Bio & Chemical Engineering - Toulouse Biotechnology Institute / TBI
• Jury : Président / Présidente : Claudio Lubello
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Francesca Malpei, Jean-Marc Choubert, Cuijie Feng
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thomas William Seviour, Yuemei Lin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Eaux usées -- Épuration

Économie circulaire

Polymères

Mots clés libres

Substances polymères extracellulaires

Boue granulaire

Économie circulaire

Extracellular polymeric substances

Granular sludge

Circular economy

Résumé

Cette thèse visait à donner un aperçu de la récupération, de la caractérisation et de la valorisation des substances polymères extracellulaires (EPS) à partir de boues granulaires (GS) appliquées dans des systèmes innovants de traitement des eaux usées. Les propriétés du EPS dérivé de GS ont été abordées pour illustrer le large éventail de solutions industrielles et/ou environnementales potentielles qui pourraient guider la mise en œuvre d'installations de récupération des ressources. Cette analyse a été utilisée pour montrer comment l'ensemble du processus de production et de valorisation du EPS devrait être évalué de manière exhaustive sur la base des critères liés à l'application. Deux types de GS ont été étudiés (boues granulaires aérobies, AGS et boues granulaires anammox, AmxGS) et des scénarios de valorisation distincts ont été abordés.Les EPS structuraux (sEPS) extraits de boues granulaires aérobies (AGS) ont été étudiés pour leur capacité à former des hydrogels en présence de métaux M2+, en mettant l'accent sur des aspects méthodologiques de nature différente. Une caractérisation mécanique détaillée des hydrogels à base d'EPS a été réalisée par rhéométrie: une approche comparative avec des polymères bien caractérisés (alginate et carraghénane) a été mise en place pour assurer un positionnement robuste dans le cadre bibliographique et mettre en lumière la grande complexité des systèmes étudiés. La capacité des sEPS dérivés d'AGS à former des matériaux de type hydrogel avec une forte teneur en eau et des propriétés mécaniques de type solide a donc été démontrée: la faisabilité de former des hydrogels avec des niveaux distincts de rigidité (et d'élasticité) jouant avec la concentration de sEPS et la concentration et le type de M2+ a été observé, élargissant ainsi la gamme potentielle d'applications basées sur sEPS. En choisissant l'agriculture comme secteur cible, les méthodes d'extraction/gélification ont été par conséquent optimisées afin d'obtenir des biomatériaux conformes au haut standard de qualité imposé par la réglementation européenne en matière de produits fertilisants. En particulier, l'impact des procédés de production sur les propriétés de composition et sur la biodégradabilité des EPS et des hydrogels dérivés a été étudié. Le potentiel des hydrogels à base d'EPS dans des applications liées à l'agriculture a été démontré en évaluant leur comportement en tant que polymères superabsorbants (SAP) et leur capacité à libérer des nutriments.La possibilité d’utiliser l'EPS extrait d'AmxGS comme matériau bioadsorbant pour le traitement de systèmes aqueux contaminés par des métaux lourds a ensuite a été démontrée en manière approfondie. Une analyse comparative avec les granules natifs a été mise en œuvre principalement pour éclairer les mécanismes d'adsorption des EPS extraits et non extraits dans la biomasse native et pour proposer des scénarios alternatifs orientés vers la récupération des ressources. Des hypothèses mécanistiques pour la biosorption des métaux ont été proposées combinant plusieurs techniques analytiques (ICP-AES, FT-IR, ICP-AES, SEM/EDX, DLS, etc.): un processus complexe, impliquant une combinaison d'interaction électrostatique, d'échange d'ions, de complexation et précipitations, a été suggéré. Le développement de matériaux composites à base d'EPS (colonnes de sorption de charbon actif EPS) a été raisonnablement suggéré comme stratégie potentielle pour améliorer l'applicabilité industrielle de l'EPS dérivé d'AmxGS dans les systèmes de traitement de l'eau et des eaux usées.En résumé, toutes les méthodologies développées et les résultats obtenus représentent des outils clés pour progresser vers une connaissance plus approfondie de ces biopolymères. En particulier, le potentiel exceptionnel des EPS récupérés à partir de boues granulaires dans des applications liées à l'environnement a été démontré, suggérant ainsi des stratégies de valorisation capables de contribuer à une économie circulaire.

This thesis aimed to give insights on the recovery, characterization and valorization of extracellular polymeric substances (EPS) from granular sludge (GS) applied in innovative wastewater treatment systems. The versatile properties of GS-derived EPS have been addressed to illustrate the wide range of potential industrial and/or environmental solutions which could guide the broader implementation of resource recovery facilities. Additionally, this analysis was employed to show how the whole EPS production and valorization process should be comprehensively assessed based on the application-related criteria.Two types of GS have been investigated (aerobic granular sludge, AGS, and anammox granular sludge, AmxGS) and distinct valorization scenarios have been addressed.Structural EPS (sEPS) extracted from aerobic granular sludge (EPS) have been studied for their ability to form hydrogels in presence of metals M2+ (e.g., Ca2 +), emphasizing methodological aspects of different nature. A detailed mechanical characterization of EPS-based hydrogels was carried out using rheometry: a comparative approach with well-characterized polymers (alginate and carrageenan) was implemented to ensure a robust positioning in the bibliographic framework and shed light on the high complexity of the studied systems. The ability of AGS-derived sEPS to form hydrogel-like materials with high-water content and solid-like mechanical properties was hence demonstrated: the feasibility of forming hydrogels with distinct levels of stiffness (and elasticity) playing with sEPS concentration and M2+ concentration and type was observed, thus expanding the potential range of sEPS-based applications. Selecting agriculture as target sector, the extraction/gelation methods were consequently optimized in order to obtain biomaterials consistent with the high-quality standard imposed by the European regulation in matter of fertilizing products. Particularly, the impact of the production processes on the compositional properties and biodegradability of EPS and derived hydrogels was studied. The high potential of EPS-based hydrogels in agriculture-related applications was emphasized evaluating their potential behaviour as superabsorbent polymers (SAPs) through swelling experiments and giving a proof-of-principle of their nutrient loading – release ability.The feasibility of exploiting AmxGS-extracted EPS as bioadsorbent for the treatment of heavy metal-contaminated aqueous systems was then comprehensively addressed. The high adsorption capacity of AmxGS-derived EPS towards heavy metals commonly found in wastewaters of both municipal and industrial origin was hence demonstrated. A comparative analysis with pristine granules was implemented mainly to shed light on the adsorption mechanisms of extracted and non-extracted EPS in the native biomass and to suggest alternative resource recovery-oriented scenarios. Mechanistic hypothesis for metal biosorption were proposed combining multiple analytical techniques (ICP-AES, FT-IR, ICP-AES, SEM/EDX, DLS, etc.): a multifaceted process, involving a combination of electrostatic interaction, ion exchange, complexation and precipitation, was suggested. The development of EPS-based composite media (EPS-activated carbon sorption columns) was reasonably suggested as potential strategy to enhance the industrial applicability of AmxGS-derived EPS in water and wastewater treatment systems.In summary, all the developed methodologies and obtained results would represent key tools to progress towards a deeper awareness on these waste-derived biopolymers. Particularly, the outstanding potential of both AGS- and AmxGS-derived EPS in environment-related applications has been demonstrated, thus shedding light on recourse recovery-oriented strategies able to hold the promise of a more circular economy-based water sector.