Remerciez-le!

Remerciez @Admin pour avoir partagé cet document gratuitement, de la manière la plus simple, en partageant sur les réseaux sociaux.

HAL Id: tel-01510824 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01510824 Submitted on

HAL Id: tel-01510824 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01510824 Submitted on 20 Apr 2017 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Caractérisation du résidu particulaire et étude des mécanismes limitant la biodégradation des boues d’épuration Sophie Decremps To cite this version: Sophie Decremps. Caractérisation du résidu particulaire et étude des mécanismes limitant la biodégra- dation des boues d’épuration. Génie des procédés. INSA de Toulouse, 2014. Français. <NNT : 2014ISAT0020>. <tel-01510824> THÈSE DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE Délivré par : Institut National des Sciences Appliquées Présentée et soutenue par : Sophie DECREMPS Le 18 avril 2014 Titre : Caractérisation du résidu réfractaire et étude des mécanismes limitant la biodégradation des boues d’épuration École doctorale et discipline ou spécialité : ED MEGeP : Génie des Procédés et de l’Environnement Unité de recherche : LISBP, Laboratoire d’Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés Directeurs de Thèse : Etienne PAUL Professeur, INSA, LISBP, Toulouse Xavier LEFEBVRE Ingénieur de Recherche, INSA, LISBP, Toulouse Rapporteurs : Jean-Philippe DELGENES Directeur de Recherche, INRA, LBE, Narbonne Gilles GUIBAUD Professeur, UNILIM, GRESE, Limoges Autres membres du jury : Christophe DAGOT Professeur, UNILIM, ENSIL, Limoges Élisabeth GIRBAL-NEUHAUSER Professeur, IUT, LBAE, Auch Fabien VEDRENNE Chercheur, VERI, Maisons-Laffitte Résumé III Résumé La matière des eaux usées urbaines (ERU) subit des transformations au sein des filières « eau » et « boue » des stations d’épuration (STEP). Une fraction de la matière organique est systématiquement retrouvée en fin de traitement biologique sous forme particulaire et est, à ce titre, identifiée comme non biodégradable et notée XU. L’origine « exogène » i.e. provenant de l’ERU brute, ou « endogène », i.e, résidus générés par les processus microbiens, et la contribution quantitative des composés accumulés dans cette fraction XU ne sont pas identifiables simplement. Par ailleurs, si une faible bioaccessibilité et/ou une inadéquation entre leur nature chimique et le pool enzymatique présent peuvent être suspectées, les raisons de leur caractère réfractaire sont mal connues et constituent un frein pour optimiser la valorisation de la boue par digestion anaérobie. S’intéressant spécifiquement à la fraction organique réfractaire d’une boue d’épuration, ce travail de thèse s’est donc attaché à définir son origine, à quantifier sa proportion selon différentes conditions opératoires de STEP et à caractériser ses composés d’un point de vue physique et chimique. Une approche filière a tout d’abord été menée pour analyser la relation entre l’origine et la biodégradabilité d’une boue. La démarche scientifique s’est ainsi basée sur (1) l’utilisation de boues de compositions contrastées (car produites sur ERU brute ou décantée, sur boue primaire ou effluent synthétique, à des âges de boue aérobies compris entre 2 et 70 jours), et sur (2) l’analyse relative des propriétés physiques, biologiques et chimiques des matrices réfractaires issues de leur digestion ultime anaérobie. En confrontant données expérimentales et prédites par le modèle ASM1, les fractions DCO des matrices réfractaires ont été déterminées. 85 % de la matière organique réfractaire en anaérobie demeurant agrégée, deux approches de caractérisation chimique ont été mises en œuvre : (i) Analyse directe de l’empreinte chimique globale par spectrophotométrie infrarouge (IR) en réflexion totale atténuée (ATR) ; (ii) Analyses moléculaires (fluorescence 2D et 3D, UV 210 et 280 nm, dosages biochimiques) de fractions solubilisées après déconstruction thermo-chimique de l’agrégat réfractaire. Associée à des traitements statistiques (Classification Ascendante Hiérarchique, CAH, et Analyse en Composantes Principales, ACP), l’utilisation de l’empreinte IR s’est révélée pertinente pour différencier chimiquement les matrices réfractaires des boues et suivre l’évolution des empreintes au fil des unités de traitement traversées. Ainsi, l’influence significative de la chimie des composés réfractaires exogènes (XU,inf) et de leur fractionnement au niveau d’un décanteur primaire sur la chimie de la fraction réfractaire XU ont pu être mis en évidence. Par ailleurs, l’utilisation combinée de techniques analytiques complémentaires a permis une caractérisation plus précise des familles de molécules impliquées. Par exemple, une contribution significative de composés de natures protéiques et humiques à la chimie de l’agrégat réfractaire et une nette implication des composés d’origine bactérienne à la fraction protéique-like réfractaire ont pu être constatées. Enfin, l’empreinte IR a permis de caractériser l’effet d’un traitement thermique (60 à 95°C) ou chimique (hydrolyse acide et alcaline) sur la chimie de la fraction XU. D’un point de vue application, cette approche pourrait être élargie à d’autres traitements (ex. température élevée, ozonation, hydrolyse enzymatique) pour évaluer leurs effets et définir leur point de fonctionnement pour une dégradation optimale des composés réfractaires. Par ailleurs, la possibilité de discriminer la chimie de différents résidus réfractaires pourrait aussi être mise à profit. L’acquisition de banques de données spectrales pourrait ainsi permettre de mieux définir les champs d’application des traitements couplés à la digestion anaérobie des boues d’épuration. Mots clefs : résidu réfractaire anaérobie, spectroscopie infrarouge, solubilisation d'agrégats biologiques, caractérisation physico-chimique, digestion anaérobie, traitements des eaux usées. Abstract IV Abstract Organic matter of urban wastewaters (WW) is modified all along the treatment units of a wastewater treatment plant (WWTP). A fraction of the organic matter systematically remains at the end of biological treatment, mainly aggregated in particulate form. It is thus classified as refractory organics, noticed XU. The “exogenous” origin (e.g. originated from the urban WW) or “endogenous” one (e.g. residues produced by the microbial processes) and the quantitative contribution of compounds accumulated into the XU fraction are difficult to identify. Limited bioaccessibility and/or inappropriate chemical characteristics can be suspected. However, the reasons of their non-biodegradability are not clearly identified that limits an optimal valorization of sewage sludge by anaerobic digestion (AD). Focusing specifically on the refractory COD fraction of sewage sludge, this research work attempts to define its origin, to quantify its proportion depending on the applied operating conditions in the WWTP and to characterize the physical and chemical properties of its different compounds. A first approach is carried out to analyze the relationship between the WWTP operating conditions and the biodegradability of various sludges. The scientific approach is based on (1) the use of sludges of contrasted composition (fed with raw wastewater, or pre-settled WW, diluted primary sludge or synthetic influent, and produced with a solid retention time in the range of 2 and 70 days), and, on (2) the comparative analysis of physical, biological and chemical characteristics for refractory matrices resulting from their ultimate anaerobic digestion. Refractory COD fractionations are estimated comparing experimental and ASM1 predicted data. While 85% of anaerobic refractory organic matter remain aggregated, two characterization approaches were applied: (i) direct analysis (on unmodified particulate matter) of the global chemical fingerprint by infrared spectroscopy (IR) on attenuated total reflexion (ATR); (ii) molecular analysis (fluorescence 2D and 3D, UV 210 and 280 nm, biochemical assays) of solubilized fractions obtained by thermo-chemical solubilisation of the refractory aggregate. Combined with statistical tools (Hierarchical Ascendant Classification, HAC and Principal Component Analysis, PCA), infrared fingerprints appear relevant to chemically discriminate refractory residues of the selected sludges and hence to follow the evolution of the chemistry of matrices along the treatments chains. Main factors involved in the chemical fingerprint of XU are highlighted. For example the major effect of the chemistry of exogenic refractory compounds (XU,inf) on the XU chemical fingerprint is shown. In addition, our work underlines the interest of using complementary analytical techniques to get a more accurate chemical characterization of the molecules involved in the ultimate refractory matrices. For example, a significant contribution of proteins and humics on the chemistry of refractory aggregate could be observed with a clear contribution of bacterial compounds to protein refractory fraction. Finally, the infrared fingerprint was used to characterize the effect of heat treatments (60-95°C) or chemical treatments (acid and alkaline hydrolysis) on the chemistry of XU. In perspective, this approach could be extended to other treatments (e.g. high temperature, ozonation, enzymatic hydrolysis) to assess their effects and to define their optimal operating point for degradation of refractory compounds. Furthermore, the possibility to discriminate chemical fingerprints of different refractory residues could also be exploited. Acquiring spectral data banks could better define the scope of application of treatment units combined with the anaerobic digestion of sewage sludge. Key words: refractory anaerobic residue, infrared spectroscopy, solubilisation of biological particulate matter, physico-chemical characterization, anaerobic digestion, wastewater treatment. V Remerciements Par ces quelques lignes, je tiens à remercier l’ensemble des personnes qui ont contribué, de près ou de loin, à l’aboutissement de ma thèse. Je tiens tout d’abord à remercier mes deux directeurs de thèse, Etienne Paul et Xavier Lefebvre, qui ont formé un duo de choc grâce auquel j’ai énormément appris, aussi bien scientifiquement que humainement. Je vous remercie d’avoir cru en moi du début à la fin, et d’avoir vu en moi ce que je ne voyais pas. Je souhaite aussi remercier Jesus uploads/Finance/ 2014-caracterisation-du-residu-refractaire-et-etude-des-mecanismes.pdf