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Contribution à l'étude de l'applicabilité des bio-traitements à membrane dans le traitement des eaux usées contaminées par le bisphénol-A et autres polluants organiques et inorganiques.

Seyhi, Brahima (2012). Contribution à l'étude de l'applicabilité des bio-traitements à membrane dans le traitement des eaux usées contaminées par le bisphénol-A et autres polluants organiques et inorganiques. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 322 p.

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Résumé

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Ces dernières années, une attention croissante est portée sur la présence dans l'environnement de polluants d'intérêt émergent tels que les perturbateurs endocriniens. Ces polluants sont susceptibles d'avoir des effets néfastes sur l'environnement, même à des niveaux de concentrations relativement faibles allant du nanogramme au microgramme par litre (ng.L-1 - µg.L-1). Leur présence dans l'environnement est devenue une préoccupation d'actualité. Dans cette thèse, l'application de la technologie de bioréacteur à membrane (BRM) a été envisagée afin d'évaluer son potentiel de traitement des eaux usées contenant le bisphénol-A (BPA). Le BPA est un composé utilisé dans de nombreuses applications industrielles, notamment dans la production de plastiques polycarbonates, de résines époxydes, dans l'industrie du PVC, etc. Le BPA a été détecté dans les eaux usées, les effluents de stations d'épuration, les eaux de surface et les sédiments. Le BPA est un alkylphénol et un oestrogéno-mimétique capable de se lier au récepteur a des oestrogènes, ce qui fait de lui un perturbateur endocrinien. Les objectifs de cette thèse se traduisent à trois niveaux (fondamentaux et appliqués): 1) Évaluer le potentiel du BRM immergé pour la dégradation du BPA, 2) Contribuer au développement de connaissances utiles à la compréhension des mécanismes d'élimination du BPA dans le BRM, 3) Évaluer l'effet du BPA et de certains paramètres opératoires sur les performances globales du BRM et sur l'activité de la biomasse épuratrice, 4) Quantifier l'évolution du colmatage membranaire lors du traitement d'un effluent contaminé par le bisphénol A. La première partie de l'étude a consisté à développer une biomasse épuratrice en utilisant un effluent synthétique contenant du glucose comme substrat carboné (400 - 2 000 mg DCO.L-1) Une fois la biomasse développée, l'effluent synthétique a été dopé par le BPA (jusqu'à 1 mg.L-1 de BPA) et la DCO totale à l'entrée du BRM a été maintenue à 1 000 mg.L-1. Les performances d'abattement de la DCO sont restées relativement stables atteignant 99 % pour des charges massiques et volumiques imposées comprises entre 0,3-1,0 kg DCO.kg-1 MVES.jr-1 et entre 0,6- 9,6 kg DCO.m-3.jr-1, respectivement. La diminution du temps de rétention hydraulique (TRH) de 5,5 h à 3h n'a induit aucun effet significatif sur les performances d'abattement de la DCO. L'abattement de l'azote ammoniacal (N-NH4) est resté très élevé (≥ 99%), contrairement à celui du phosphore (P-P04) (46-75%). Une élimination quasi-totale du BPA a été observée (taux d'abattement moyen de 99%). Cependant, à partir de 21,6 g.m-3.jr-1 (soit 5 mg.L-1), des effets du BPA sur l'activité de la biomasse épuratrice sont observés. Ces effets sont la diminution des performances du BRM notamment en termes d'élimination de la DCO et la diminution de la concentration de boue. Les mécanismes majeurs inhérents à l'élimination du BPA dans le BRM ont été étudiés. Ces mécanismes sont l'adsorption et la biodégradation. Le processus d'adsorption du BPA sur la biomasse atteint l'équilibre au bout de 2 h de temps de contact. La capacité d'adsorption (qmax) du BPA sur la biomasse du BRM est significative et l'adsorption est parfaitement décrite par les isothermes de Freundlich et de Langmuir (qmax = 0,833 mg.g-1). L'étude de biodégradation du BPA effectuée sur des boues préalablement acclimatées, a permis de déterminer les paramètres cinétiques de biodégradation du BPA. La cinétique de biodégradation du BPA est décrite par le modèle cinétique d'ordre 1, avec une constante cinétique k1 = 1,134 h-1. La constante cinétique de biodégradation du BPA diminue lorsque la concentration initiale de BPA augmente. La variation de la concentration initiale de DCO (400- 2 000 mg DCO.L-1) n'a pas d'influence notable sur les paramètres cinétiques et le taux de biodégradation du BPA. Une étude de l'évolution du colmatage membranaire lors du traitement d'effluent contaminé par le BPA a été effectuée. La réversibilité du colmatage a été mise en évidence. Dans les conditions de fonctionnement normal du BRM (TRH = 5,5h, débit de filtration =18 mL.min-1, [MES] = 10-15 g/L), le passage du colmatage réversible au colmatage irréversible est observé aux alentours des 84 heures de filtration. Le fractionnement du colmatage suivant les trois échelles d'observation (macro-colmatage, micro-colmatage et na no-colmatage) a permis de déterminer résistances de colmatage.

Abstract

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In recent years, increasing attention is accorded to the presence in the environment of emerging pollutants such as endocrine disrupting compounds. These pollutants may have negative effects on the environment even at low concentrations (ng.L-1-µg.L-1) Their presence and potential risks to the environment has become an important concern. In this thesis, membrane bioreactor (MBR) technology has been applied to evaluate its potential of treatment of wastewaters containing bisphenol-A (BPA). BPA is a compound used in many industrial applications, particularly in the production of polycarbonate plastics, Epoxy resins, in the PVC industry. BPA is an alkylphenol capable to bind to estrogenic receptor-a, which makes it an endocrine disruptor compound. BPA has been found in many wastewaters, wastewater treatment plant effluents, surface waters and sediments. The objectives of this study are: 1) evaluate the potential of submerged MBR for the degradation of BPA, 2) contribute to the development of knowledge on the mechanisms of BPA removal in a MBR, 3) evaluate the effects of BPA and some operating parameters on the overall performance of the MBR and on the activity of the biomass, 4) quantify the evolution of membrane fouling during the treatment of effluent contaminated with BPA. The first part of the study was focused on the development of the biomass by using a synthetic effluent containing glucose as carbon substrate (400 - 2000 mg DCO.L-1). Once biomass was developed, BPA was added to the synthetic effluent (up to 1 mg.L-1 de BPA), while the total COD concentration at the inlet of the MBR was maintained around 1 000 mg.L-1. The COD removal remained relatively constant, reaching 99% for organic and volumetric loading rate ranged between 0.3 - 1.0 kg DCO.kg MVES.d-1 and between 0.6-9.6 kg-DCO.m-3.d-1, respectively. The effects of hydraulic retention time (HRT) on the overall performance of the MBR unit were tested by gradually reducing HRT from 5.5 h to 3.0 h, when the concentrations of COD and BPA in the effluent were kept constant, respectively. The reduction of HRT did not influence the COD removal. The removal of ammonium nitrogen (NH4-N) remained very high (≥ 99%), whereas phosphorus (P04-P) removal was ranged between 46 and 75%. A total removal of BPA was observed in the MBR (average removal rate of 99%). However, from 21.6 g.m-3.d-1 (or 5 mg L-1), observable effects of BPA on the activity of the biomass are measured. These effects are the decrease in the COD removal and the decrease in biomass concentration. Major mechanisms of BPA removal were studied. Adsorption study on biomass (active and inactive) allowed separating physical adsorption to bio-sorption. Adsorption equilibrium of BPA was reached after 2 h of contact time. Adsorption capacity was significant and adsorption process was well described by the Freundlich isotherm and Langmuir (qmax = 0.833 mg.g-1). Biodegradation study was performed on acclimated sludge. Biodegradation kinetic and the influence of some operational parameters were determined. The kinetic of biodegradation was described by the first order kinetic model, with a constant rate k1 = 1.134 h-1. The biodegradation constant rate decreased with the increase of initial concentration of BPA. When COD concentration was ranged from 400 to 2000 mg DCO.L-1 (or from 0.04 to 0.20 9 VSS DCO.g-1), the initial COD did not affect the biodegradation kinetic rate. A study occurred in subcritical conditions of filtration allowed determining the reversibility of membrane fouling in the MBR. The transition from reversible fouling to irreversible fouling of the membrane occurred around 84 h of filtration. Fouling was studied using three scales of observation: the macro-fouling (accumulation of TS on the membrane noted Rs), the micro-fouling (biofilm development on the membrane noted RB) and nano-fouling (adsorption of molecules noted RA).

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Drogui, Patrick
Co-directeurs de mémoire/thèse: Buelna, Gerardo; Blais, Jean-François
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: bioréacteur à membrane; biotraitement; membrane immergée; colmatage; désinfection; eaux usées; contamination; bisphénol-A; polluant organique; polluant inorganique
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 05 déc. 2013 14:42
Dernière modification: 17 mars 2016 18:00
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/1753

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