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Prétraitement des boues d'épuration pour accroître la biodégradabilité et éliminer simultanément les pertubateurs endocriniens.

Pham, Thi Thanh Ha (2010). Prétraitement des boues d'épuration pour accroître la biodégradabilité et éliminer simultanément les pertubateurs endocriniens. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 292 p.

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Résumé

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La bioconversion des boues d'épuration en produits à valeur ajoutée est considérée comme une approche éco-respectueuse de l'environnement et économique pour la gestion de ce type de déchets. Toutefois, la biodégradabilité limitée des boues d'épuration nécessite l'application de prétraitement afin d'améliorer le rendement de la bioproduction à base des boues. De plus, la quantité grandissante de composés organiques toxiques dans les boues est une préoccupation pour les bioproduits fabriqués à partir des boues et peut compliquer l'homologation. L'objectif principal du projet est d'étudier l'effet du prétraitement sur l'amélioration de la bioconversion des boues d'épuration en produits à valeur ajoutée (PVA) et l'élimination simultanée des polluants organiques. Les méthodes de prétraitement ont été axées sur l'ultrasonification comme un processus mécanique et l'oxydation de Fenton comme un processus chimique. L'optimisation des procédés de prétraitement pour l'amélioration de la biodégradabilité des boues a été réalisée. Le changement des caractéristiques physico-chimiques et rhéologiques de la boue avec le prétraitement a également été étudié. Cela a permis de déterminer l'effet du prétraitement sur l'accessibilité des éléments nutritifs des boues pour la dégradation microbienne. L'effet du prétraitement sur la production des produits à valeur ajoutée de boues a été évalué par l'étude de la fermentation de Bacillus thuringiensis (Bt) en utilisant les boues prétraitées comme matières premières. En outre, la présence et le comportement du phtalate de di-(2-éthylhexyle) dans les boues avant et après le prétraitement et la fermentation de Bt ont été étudiés pour évaluer le rôle du prétraitement sur la détoxication et l'enlèvement du phtalate pour la valorisation des boues. L'optimisation des procédés de prétraitement, soit l'ultrasonification et l'oxydation de Fenton, a été effectuée en utilisant la méthodologie de réponse en surface avec un plan composite centré. L'effet des processus de prétraitement a été évalué par les augmentations de la solubilisation (en termes de demande chimique en oxygène soluble) et de la biodégradabilité (en termes de consommation de solides totaux-ST dans la digestion aérobie) des boues d'épuration. L'ultrasonification a été effectuée à une fréquence de 20 kHz avec une sonde à ultrasons. Différentes concentrations en ST des boues d'épuration, intensités ultrasoniques, temps d'exposition ont été étudiées pour l'optimisation. Les conditions optimales du prétraitement par l'ultrasonification ont été 0,75 W/cm² d'intensité, 60 min de temps d'exposition et 23 g/ L de ST. La solubilisation et la biodégradabilité étaient de 45,5 % et 56 %, respectivement. L'optimisation de l'oxydation Fenton a été effectuée avec cinq paramètres, soit la concentration en peroxyde d'hydrogène (volume de H202 par g de matière en suspension- MES), le rapport de la concentration initiale de peroxyde d'hydrogène et de la concentration initiale de métaux ferreux, le temps de réaction, la température de réaction et la concentration en ST des boues. La plus haute solubilisation a été de 81 % à des conditions de 0,01 mLH202/gMES, 150 [H202]0/[Fe2+]0, de 25 g/L ST, à 70°C et en 120 min. Également, la plus haute biodégradabilité de 74% a été obtenue dans des conditions similaires de la concentration de H₂0₂, du rapport de [H202]0-à-[Fe2+]0, et de la concentration en ST, mais à plus basse température de 25 °C et en plus courte durée de temps de 60 min par rapport à des conditions optimales de la solubilisation. Pour l'évaluation de l'effet de l'ultrasonification et l'oxydation Fenton sur la production de PVA de boues, la fermentation de Bt en fiole Erlenmeyer en utilisant de la boue non traitée (raw sludge-RS) et des boues traitées par l'ultrasonification (ultrasonicated sludge-UIS) et l'oxydation Fenton (Fenton oxidized sludge-FS) comme matière première a été effectuée. Les boues ont été prétraitées à des conditions optimales de l'ultrasonification et de l'oxydation Fenton. L'amélioration de la production des PVA par le prétraitement a été évaluée par la croissance de Bt, soit le nombre des cellules et la sporulation. Les nombres les plus élevés de cellules totales ont été observés à 30 h de fermentation: 1,44 x 108UFC mL-1, 4,08 x 108 UFC mL-1, et 1,63 x 109 UFC mL-1 pour RS, UIS et FS, respectivement. Après 48 h de fermentation, 96% des cellules de Bt dans FS avaient sporulé Quant à UIS et à RS, seulement 90% et 84% de cellules ont sporulé, respectivement. De plus, la plus haute valeur du taux de croissance spécifique maximale (µm) de Bt a été atteinte pour FS (0,41 h-1), suivie par UIS (0,33 h-1) et RS (0,32 h-1). Ainsi, l'oxydation classique Fenton est plus prometteur que le traitement chimique pour la production des biopesticides de Bt à base de boues d'épuration par rapport à l'ultrasonification, comme traitement physique. Les propriétés rhéologiques des boues non traitées et des boues traitées par l'ultrasonification et l'oxydation Fenton ont été étudiées. Les boues ont été traitées dans des conditions optimales de l'ultrasonification et l'oxydation Fenton. Les boues non traitées et traitées avaient un comportement non newtonien avec rhéofluidification ainsi que des propriétés thixotropiques pour des concentrations en ST de 10 g/l à 40 g/L. Les modèles rhéologiques, soit Plastique de Bingham, modèle de Casson, modèle de NCA/CMA Casson », Pâte IPC, et Loi de Puissance ont également été étudiés pour caractériser les propriétés d'écoulement des boues. Parmi les modèles rhéologiques étudiés, Loi de Puissance s'est avéré la plus importante pour décrire la rhéologie des boues. Les prétraitements ont entraîné une diminution de la pseudoplasticité des boues en raison de la baisse de l'indice de consistance K variant de 42,4 à 1188; de 25,6 à 620,4 et de 52,5 à 317,9. Cette diminution est aussi due à l'augmentation de l'indice de comportement de l'écoulement n changeant de 0,5 à 0,35; de 0,62 à 0,55; et de 0,63 à 0,58, pour RS, UIS et FS, respectivement aux concentrations en ST de 10 à 40 g/L. L'amélioration de la décantation, la diminution de la viscosité, et le changement de la taille des particules en fonction des processus de prétraitement des boues ont également été étudiés. L'oxydation Fenton a facilité la filtrabilité des boues en raison de la valeur du temps de succion capillaire qui ont été environ 50% des boues non traitées. Quant à l'ultrasonification, son énergie élevée a détérioré la filtrabilité. Le prétraitement a entraîné une diminution de la viscosité. La viscosité apparente a diminué en passant de 2,89 - 359,7 pour RS à 2,51 - 199,2 et 2,68 -108,3 mPa s pour UIS et FS, respectivement, entre 10 à 40 g/L de concentration en ST. L'ultrasonification a entraîné une plus grande diminution en taille des particules, tandis que, au contraire, l'oxydation Fenton a augmenté la taille des particules. Parmi RS, UIS et FS, le pourcentage de volume de particules de petite taille (inférieure à 10 µm) a été le plus élevé (0,54% - 0,38%) pour UIS à des concentrations en ST de 10 à 40 g/L, alors que le volume occupé par les grosses particules (supérieures à 250 µm) a été la plus prononcée pour FS (0,89 - 5,62%) à une concentration en ST de 10 à 40 g / L. Le prétraitement a modifié les propriétés rhéologiques des boues d'épuration résultant en l'amélioration de l'assimilation des nutriments par les microorganismes pour la valorisation des boues. L'étude systématique (avant et après le prétraitement) de la dégradation aérobie lors de la fermentation de Bt) en présence du phtalate de di-(2-éthylhexyle) (DEHP) et de ses métabolites, soit le 2-éthylhexanol, le 2-éthylhexanal, et l'acide 2-éthylhexanoïque dans les boues d'épuration a été effectuée. Le DEHP et l'acide 2-éthylhexanoïque ont été observés à des concentrations importantes. Quant au 2-éthylhexanol et au 2-éthylhexanal, ils ont été observés à une très faible concentration dans des boues non traitées et traitées par l'ultrasonification et l'oxydation Fenton. Lors de la dégradation aérobie, les microorganismes indigènes des boues ont été responsables de la biodégradation du DEHP, résultant en des enlèvements en masse du DEHP de 72%, 89% et 85%, et de l'acide 2-éthylhexanoïque de 71 %, 84%, 79%, respectivement pour RS, UIS et FS. Ce travail a permis aussi de démontrer que Bt peut dégrader le DEHP, résultant en l'enlèvement en masse du DEHP de 21 %, 40% et 30% pour RS, UIS et FS dans la fermentation. Cette bactérie permet donc de coupler la production à valeur ajoutée à l'enlèvement de micropolluants dans les boues d'épuration. Enfin, le prétraitement de l'untrasonication et de l'oxydation Fenton ont amélioré la biodégradabilité des boues d'épuration et la biodisponibilité des composés organiques cibles pour la digestion et la fermentation.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Tyagi, Rajeshwar Dayal
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: boues d'épuration; biodégradation; écoulement; perturbateur endocrinien; bioconversion; polluant organique; DEHP; ultrasonification; Bacillus thuringiensis; oxidation Fenton; rheology
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 05 déc. 2013 13:48
Dernière modification: 17 mars 2016 17:55
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/1738

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