Anaerobic treatment of mine wastewater for the removal of selenate and its co-contaminants

par Lea Tan

Thèse de doctorat en Sciences et Techniques de l'Environnement

Sous la direction de Eric Van Hullebusch et de Piet N. L. Lens.

Le président du jury était Kenneth A. Irvine.

Le jury était composé de Eric Van Hullebusch, Piet N. L. Lens, Giovanni Esposito.

Les rapporteurs étaient Artin Hatzikioseyian, Jonathan Lloyd.

  • Titre traduit

    Traitement anaérobie des eaux usées d'origine minière pour l'élimination du séléniate et de ses co-contaminants


  • Résumé

    Cette recherche visait à aborder l’effet des caractéristiques des eaux usées (c’est-à-dire les Co-contaminants, métaux lourds et pH) sur la réduction biologique du Séléniate (SeO42-), et évaluer l'intégration des processus et des configurations pour le traitement des eaux usées chargé de sélénium et de Co-contaminants.La première partie de l’étude portait sur l’effet des accepteurs de Co-électrons et le faible pH sur la bioremédiation du SeO42-, les études expérimentales a montré que le rapport molaire NO3- et SO42- à SeO42- a un facteur de contrôle en augmentant ou en diminuant l'efficacité de l'élimination du sélénium (Se). De plus, l'étude sur les interactions biofilm-Se a révélé la présence de NO3 ou de SO42- influence la spéciation Se, les niveaux de Se (Se0) biogénique et l'activité de la biomasse. Le fonctionnement du réacteur UASB (upflow anaerobic sludge blanket) avec une diminution progressive du pH influent de 7,0 à 5,5 a montré une performance d'élimination stable de NO3-, SO42 et SeO42- ,avant une diminution de 20% de l'élimination de tous ces composants à pH 5,0 En plus, le fonctionnement à long terme du réacteur UASB à pH 5.0 a l'enrichissement des familles Geobacteraceae et Spirochaetaceae, qui n'ont pas été détectés à pH> 5,0.La deuxième partie de l'étude a exploré l'efficacité de différentes techniques d'élimination pour le traitement de SeO42- avec des Co-contaminants. La comparaison des performances d’élimination SeO42- en présence de SO4-2 dans un filtre biotrickling (BTF) et un réacteur UASB a révélé que SO42- a largement influencé la croissance du biofilm attaché et l'élimination de SeO42-a augmentée de> 200%. D'autre part, l'élimination de SeO42- était similaire dans le réacteur UASB indépendamment de la présence ou de l'absence de SO42-. La caractérisation de la biomasse a révélé la formation de Se0 sphérique et de sulfure de poly-sélénium dans la biomasse des deux bioréacteurs. L'addition de Ni dans les deux bioréacteurs a entraîné une diminution des performances de suppression de SO42- et SeO42- de ~ 20-30%. L'élimination du Ni était> 80% dans les deux bioréacteurs. Ni a été éliminé par précipitation sous la forme de sulfure de nickel. L’évaluation du flux de processus pour l'élimination de SeO42- et SO42- a été effectuée en couplant la colonne d'échange d'ions (IX) et le bioréacteur UASB en utilisant soit un prétraitement (IX  UASB), soit un post-traitement (UASB  IX) pour le bioréacteur. Le schéma du processus de prétraitement a montré une meilleure efficacité d'élimination globale de 99% de SO42- et 94% de S totale atteignant <100 mg L-1 de SO42-, <0,3 mg L-1 de Se total et <0,02 mg L-1 de Se dissous dans l'effluent pendant 42 jours de fonctionnement continu


  • Résumé

    This research aimed at addressing the effect of wastewater characteristics (i.e. co-contaminants, heavy metals and pH) on the biological reduction of selenate (SeO42-) and evaluating process integration and configurations for selenium-laden wastewater treatment with co-contaminants. The first part of the study focused on the effect of co-electron acceptors and low pH on the bioremediation of SeO42-. Experiments showed that the molar ratio of NO3- and SO42- to SeO42- has a controlling factor in either increasing or decreasing the selenium (Se) removal efficiency. Additionally, study on biofilm-Se interactions revealed the presence of either NO3- or SO42- influences the Se speciation, biogenic Se (Se0) levels and biomass activity. Upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactor operation with a gradual decrease in the influent pH from 7.0 to 5.5 showed a stable removal performance of NO3-, SO42- and SeO42-, before a 20% decrease in removal of all these components was observed at pH 5.0. Furthermore, long-term operation of the UASB reactor at pH 5.0 showed the enrichment of Geobacteraceae and Spirochaetaceae families, which were not detected at pH > 5.0.The second part of the study explored the effectiveness of different removal techniques for the treatment of SeO42- with co-contaminants. Comparing the SeO42- removal performance in the presence of SO42- in a biotrickling filter (BTF) and UASB reactor revealed that SO42- largely influenced the attached biofilm growth and increased SeO42- removal by > 200%. On the other hand, SeO42- removal was similar in the UASB reactor irrespective of the presence or absence of SO42-. Biomass characterization revealed the formation of spherical Se0 and poly-selenium sulfide in the biomass of both bioreactors. Addition of Ni in both bioreactors led to a decrease in SO42- and SeO42- removal performance by ~20-30%. Ni removal was > 80% in both bioreactors. Ni was removed via nickel sulfide precipitation. Evaluation of integrated process system for SeO42- and SO42- removal was conducted by coupling an ion exchange column (IX) and UASB bioreactor, using IX as either a pre-treatment (IX  UASB) or post-treatment (UASB  IX) unit for the bioreactor. The pre-treatment process scheme showed a better overall removal efficiency of 99% SO42- and 94% total Se reaching < 100 mg L-1 SO42-, < 0.3 mg Se L-1 total Se and < 0.02 mg Se L-1 dissolved Se in the effluent over 42 days of continuous operation

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