Intégration des procédés électrochimiques dans une filière de traitement des lixiviatis de décharge pour l'élimination de la charge organique difficilement biodégradable

Integration of electrochemical processes in a treatment train of landfill leachates for removal of poorly biodegradable organic compounds

• Auteur / Autrice : Nabil Mostefaoui
• Direction : Mehmet Ali Oturan, Souâd Chergui, Bruno Tassin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et Techniques de l'Environnement
• Date : Soutenance le 25/01/2024
• Etablissement(s) : Paris Est en cotutelle avec Université des Sciences et de la Technologie Houari-Boumediène (Algérie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Géomatériaux et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne) - Laboratoire Géomatériaux et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne)
• Jury : Président / Présidente : Malika Chabani
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mehmet Ali Oturan, Souâd Chergui, Hakim Lounici, Emmanuel Mousset, Clémence Coetsier, Clément Trellu, Noureddine Nasrallah
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hakim Lounici, Emmanuel Mousset

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biodégradation

Déchets -- Élimination

Produit de lixiviation

Électrochimie

Mots clés libres

Biodégradable

Électrochimie

Lixiviat

Biodegradable

Electrochemical

Leahate

Résumé

Cette thèse explore l'utilisation des procédés électrochimiques pour le traitement d'un lixiviat de décharge réel prélevé au centre d'enfouissement technique d'Alger. Ce traitement présente un défi majeur pour les méthodes conventionnelles en raison de la forte charge en matière organique difficilement biodégradable. Trois procédés électrochimiques, dont l'oxydation anodique (OA), l'électro-Fenton (EF), et l'électrocoagulation, ont été étudiés. Les objectifs incluent la mise en évidence des avantages et des limites de chaque procédé, ainsi que la compréhension des mécanismes impliqués dans le traitement de cet effluent complexe. Dans le cadre d'un projet de recherche collaboratif soutenu par le PHC Tassili (Algérie / France), les procédés d'OA et d'EF ont été évalués à l'échelle du laboratoire. L'OA avec une électrode en diamant dopé au bore (DDB) s'est révélée la plus adaptée pour éliminer la charge organique, bien que des limites aient été identifiées, notamment la consommation énergétique élevée (116 kWh m-3), l'élimination partielle de la charge azotée, et l'oxydation des ions Cl- en espèces indésirables. L'intégration de l'OA dans une filière de traitement a été envisagée, notamment en combinant l'OA avec l'électrocoagulation (EC) et un traitement biologique pour réduire la densité de courant et le temps de traitement. Cette approche a montré une élimination partielle de la charge organique avec une faible consommation énergétique (2,8 kWh m-3), bien que la gestion des boues reste une problématique. L'application de l'OA à 200 mA pendant 4 heures a augmenté l'efficacité de minéralisation à 65% et a amélioré la biodégradabilité de la charge organique résiduelle. Cette étape a également ouvert la voie à un couplage potentiel avec le bioréacteur à membrane sur le site d'Alger. En réduisant la charge électrique, la formation d'ions chlorates et perchlorates au cours du procédé d'OA a été fortement réduite. Une étude comparative a souligné la pertinence de l'utilisation de l'OA en tant que prétraitement. Les résultats sur site ont confirmé l'adaptabilité du bioréacteur à membrane pour une élimination efficace de la charge en azote. Ainsi, l'intégration d'un procédé d'EC et d'OA en amont du bioréacteur à membrane semble prometteuse pour réduire significativement la charge organique résiduelle, avec une réduction notable des concentrats formés lors des étapes ultérieures impliquant des procédés membranaires (nanofiltration, osmose inverse)

This thesis focuses on utilizing electrochemical processes for the treatment of actual landfill leachate from the municipal landfill site of Algiers. The challenge lies in the high concentration of poorly biodegradable organic compounds. Three electrochemical processes—namely, anodic oxidation (AO), electro-Fenton (EF), and electro-coagulation (EC)—were examined. The primary objectives were to assess the strengths and weaknesses of each process, understand the underlying mechanisms, and determine their optimal placement within a comprehensive treatment scheme, considering potential integration with biological treatment. The study was part of a collaborative project funded by PHC Tassili (Algeria/France).In laboratory-scale batch reactors, AO and EF processes were analyzed, comparing different anode and cathode materials to identify the most effective configuration for removing organic compounds from raw landfill leachates. AO with a boron-doped diamond anode (BDD) proved most suitable, achieving 81% removal of total organic carbon after 6 hours at 500 mA. However, drawbacks included high energy consumption (116 kWh m-3), partial nitrogen removal, and the formation of undesirable chemical species from chloride oxidation.The integration of AO into a comprehensive treatment scheme was explored to capitalize on its non-selective removal of organic compounds while addressing identified drawbacks. Combining AO with EC and biological treatment aimed to reduce current density and treatment time during the AO process. EC showed potential for a 40% partial removal of the organic load with low energy consumption (2.8 kWh m-3). However, sludge management posed challenges. Applying AO at 200 mA for 4 hours increased mineralization efficiency to 65%, and this treatment step enhanced the biodegradability of the residual organic load. Combining AO with the membrane bioreactor at the Algiers landfill site showed promise, reducing the formation of ClO3- and ClO4- ions significantly.Using AO as a pre-treatment before the membrane bioreactor emerged as a more promising strategy, optimizing energy consumption and minimizing the formation of ClO3- and ClO4- ions compared to post-treatment. The membrane bioreactor efficiently removed nitrogen load. Overall, a treatment train incorporating EC and AO as pre-treatment before the membrane bioreactor appears promising for reducing the residual organic load, potentially decreasing concentrates generated by subsequent membrane-based treatment steps