Culture de microalgues pour le traitement d'effluents industriels salins et la production de biogaz

Microalgae Culture for the Treatment of Salty Industrial Streams and Biogas Production.

• Auteur / Autrice : Aurélien Parsy
• Direction : Rémy Guyoneaud, Cécilia Sambusiti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physio biologie
• Date : Soutenance le 02/03/2023
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : TotalEnergies
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences analytiques et de physico-chimie pour l'environnement et les matériaux (Pau)
• Jury : Président / Présidente : Elena Ficara
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rémy Guyoneaud, Cécilia Sambusiti, Thierry Ribeiro, Alla Silkina, Jean-François Sassi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Ribeiro, Alla Silkina

Mots clés

Mots clés contrôlés

Élevage

Cyanobactéries

Mots clés libres

Microalgues

Eau de production

Biogaz

Digestat liquide

Bioremédiation

Microalgae

Produced water

Biogas

Liquid digestate

Bioremediation

Résumé

La culture de microalgues et de cyanobactéries nécessite de grandes quantités d'eau et de nutriments pour obtenir des productivités élevées. L'objectif de cette thèse était d'étudier une chaîne de production circulaire, dans laquelle des microalgues étaient cultivées dans des eaux de production de l'exploitation pétrolière, de l'eau de mer et du digestat liquide issu du processus de digestion anaérobie. Leur valorisation par digestion anaérobie permettrait de produire du biométhane, du digestat et du CO2 biogénique, ce dernier étant réutilisé pour la culture de microalgues. Dans ce but, 5 microalgues et 1 cyanobactérie ont été testées, pour leur capacité à résister aux contaminants communément trouvés dans les eaux de production (i.e. métaux lourds et hydrocarbures), leur forte productivité dans ces eaux et leur capacité à se développer sur une large gamme de salinités, de 40 à 100 g·L-1. Cela a conduit à la sélection d'un consortium de trois microalgues contenant Nannochloropsis oceanica, Tetraselmis suecica et Dunaliella salina. Ensuite, l'efficacité de la bioremédiation d'effluents industriels composés d'eau de production artificielle, de digestat liquide et d'eau de mer a été étudiée avec le consortium et leurs bactéries associées. Des résultats intéressants ont été obtenus après 23 jours de culture à l'échelle laboratoire en batch, avec des taux d'abattement de 94-100% pour l'azote ammoniacal, 58-77% pour la demande chimique en oxygène et 86-93% pour les composés aromatiques, le tout dans un milieu à 70 g·L-1 de salinité. De plus, l'ajout dans le milieu de bactéries dégradant les composés aromatiques sélectionnés a montré que la bioaugmentation n'améliorait pas significativement l'efficacité de la bioremédiation. Pour aller plus loin, des tests de culture ont été réalisés dans des photobioréacteurs en colonne de 70 L, puis dans un bassin ouvert « raceway » de 1,1 m3. La croissance et l'évolution du consortium ont été suivies en batch, puis jusqu'à 5 mois en semi-continu. Des productivités similaires ont été obtenues (~12 gTSS·m-2·d-1) pour les deux réacteurs. En termes d'efficacité de bioremédiation, les microalgues et leurs procaryotes associés ont été capables d'éliminer quotidiennement, pendant les opérations semi-continues, jusqu'à 62% de la demande chimique en oxygène, 44% de l'azote minéral et 97% du phosphore, soit moins que ce qui a été obtenu à l'échelle batch. Enfin, la conversion de la biomasse microalgale en biométhane a été étudiée en effectuant des tests de digestion anaérobie semi-continue. Pour pouvoir traiter des matières premières salines, l'acclimatation d'un inoculum anaérobie a été suivie pendant 70 jours, jusqu'à une salinité de 14 g·L-1, en augmentant progressivement la salinité dans le digesteur. Les évaluations de la tolérance à la salinité ont montré que les archées méthanogènes étaient très actives jusqu'à 27 g·L-1, avec une production de méthane de 191 Nm3CH4·tVS-1. Sur la base de ces résultats, une évaluation technico-économique préliminaire a été réalisée, montrant qu'en intégrant la culture de microalgues avec des bassins raceway à un site de production de biogaz, le coût de production de la biomasse serait d'environ 3,4 €·kg-1, beaucoup plus élevé que les prix du marché (0,3 - 0,9 €·kg-1). Outre les activités de biodégradation des effluents ; la valorisation de la biomasse microalgale uniquement par digestion anaérobie n'est pas rentable et devrait être combinée avec d'autres voies de valorisation pour développer une chaîne de production viable économiquement.

The cultivation of microalgae and cyanobacteria requires large amounts of water and nutrients to achieve high productivity. The objective of this thesis was to study a circular economy chain, in which microalgae were grown on saline produced water from oil exploitation, seawater, and liquid digestate from the anaerobic digestion process. Their further valorisation through anaerobic digestion would lead to biomethane, digestate and biogenic CO2, the latter reused for microalgae culture. For this purpose, 5 microalgae and 1 cyanobacterium were tested, for their ability to resist to contaminants commonly found in production waters (i.e. heavy metals and hydrocarbons), to their high productivity in produced waters and to grow over a wide range of salinities, from 40 to 100 g·L-1. This led to the selection of a consortium of three microalgae containing Nannochloropsis oceanica, Tetraselmis suecica and Dunaliella salina. Then, bioremediation efficiency of industrial effluents composed of artificial produced water, liquid digestate and seawater was studied with the selected consortium and bacteria. Interesting results were obtained after 23 days of culture at lab scale in batch mode, with removal efficiencies of 94-100% for ammonia nitrogen, 58-77% for chemical oxygen demand and 86-93% for aromatic compounds at salinity of 70 g·L-1. The specific addition of selected aromatic-degrading bacteria in the medium showed that bioaugmentation did not significantly improve the bioremediation efficiency. To go further, cultivation tests were performed in 70 L column photobioreactors, and later on in a 1.1 m3 open pond raceway. The growth and the evolution of the consortium was monitored in batch mode, then up to 5 months in semi-continuous mode. Similar biomass productivities were obtained (~12 gTSS·m-2·d-1) for both reactors. In terms of bioremediation efficiency, microalgae and the associated prokaryotes were able to remove daily, during semi-continuous operation, up to 62% of the chemical oxygen demand, 44% of the mineral nitrogen and 97% of the phosphorus, less than that obtained at batch scale. Finally, the conversion of microalgal biomass into biomethane was investigated by carrying out semi-continuous anaerobic digestion tests. To be able to treat saline feedstocks, the acclimation of an anaerobic digestion inoculum was followed for 70 days, by progressively increasing the salinity in the digester up to a salinity of 14 g·L-1. Salinity tolerance assessments showed that methanogenic archaea were highly active up to 27 g·L-1, after acclimation, and the methane production obtained was 191 Nm3CH4·tVS-1. Based on these results, a preliminary techno-economic assessment was performed, showing that by integrating the cultivation of microalgae with raceway ponds to a biogas plant, the production cost of the biomass would be around 3.4 €·kg-1, much higher than the corresponding market value (0.3 - 0.9 €·kg-1). Independently of the biodegradation processes of the produced waters, the valorisation of microalgae into biomethane should be combine with other valorisation pathways to develop an economically sustainable circular economy chain.