Production de biohydrogène et de bioélectricité mésophile et thermophile à partir d'eaux usées réelles et synthétiques

par Paolo Dessi

Thèse de doctorat en Sciences et Techniques de l'Environnement

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

Thèses en préparation à Paris Est en cotutelle avec l'Université des sciences appliquées de Tampere , dans le cadre de École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec LGE - Laboratoire Géomatériaux et Environnement (laboratoire) .


  • Résumé

    La fermentation sombre et les piles à combustible microbiennes (MFC) sont deux technologies émergentes respectivement pour la conversion biologique de l'énergie chimique des composés organiques en hydrogène (H2) et en électricité. En raison des avantages cinétiques et thermodynamiques, la température élevée peut être la clé pour augmenter à la fois la production d'H2 de fermentation sombre et la production d'électricité dans les MFC. Par conséquent, cette thèse se concentre sur la manière dont la température influence la production biologique de H2 et d'électricité à partir d'eaux usées contenant du carbone organique. Deux inocula traités thermiquement (à boues activées fraîches et digérées) ont été comparés pour la production de H2 à partir de xylose à 37, 55 et 70 °C. A la fois à 37 et 55 °C, on obtient un meilleur rendement en H2 par les boues activées fraîches comparé aux boues digérées tandis qu'un très faible rendement en H2 est obtenu par les deux inocula à 70 °C. Ensuite, quatre prétraitements d'inoculum différents (chocs acides, alcalins, thermiques et de congélation) ont été évalués pour créer une efficace communauté productrice de H2 mésophile (37 °C) ou thermophile (55 °C). Les chocs acides et alcalins ont sélectionné des micro-organismes producteurs de H2, appartenant aux Clostridiaceae, au détriment des bactéries produisant du lactate, ce qui a donné respectivement le rendement en H2 le plus élevé à 37 et 55 °C. Bien que le choc thermique ait abouti à un faible rendement en H2 dans un seul lot, il a été montré que la production de H2 par les boues activées fraîches traitées thermiquement augmentait dans l'expérience avec quatre cycles consécutifs. Des boues activées fraîches et traitées thermiquement ont été sélectionnées comme inoculum pour la production continue de H2 à partir d'une eau usée synthétique contenant du xylose dans un réacteur à lit fluidisé (FBR) mésophile (37 °C) et thermophile (55-70 °C, augmenté par étapes). Un rendement en H2 plus élevé a été obtenu dans le FBR thermophile que dans le FBR mésophile. En outre, la production de H2 à 70 °C, qui a échoué dans l'étude précédente, a été couronnée de succès dans le FBR, avec un rendement stable de 1.2 mol H2 mol-1 xylose. La température de fonctionnement de 70 °C s'est également révélée optimale pour la production de H2 à partir d'eaux usées thermomécaniques (TMP) dans un incubateur à gradient de température, car la culture en batch à 70 ° C. Une approche de l'ARN a été utilisée pour étudier la structure et le rôle des communautés microbiennes attachées à l'anode, attachées à la membrane et planctoniques dans un MFC mésophile (37 °C) et thermophile (55 °C) alimenté au xylose. Une communauté anodine dominée par Geobacteraceae a soutenu la production d'électricité à 37 °C, alors que l'établissement de micro-organismes méthanogènes et H2 oxydants a entraîné une faible production d'électricité à 55 °C. Cependant, le développement d'une communauté exoélectrogène thermophile peut être favorisé en appliquant une stratégie de démarrage qui comprend l'imposition d'un potentiel négatif à l'anode et l'inhibition chimique des méthanogènes. Une communauté exoélectrogénique mésophile a également été montré pour produire de l'électricité à partir d'eaux usées de TMP dans un MFC à flux ascendant exploité à 37 °C. En conclusion, une production de H2 plus élevé et plus stable peut être obtenu dans une fermentation sombre thermophile plutôt que mésophile. La fermentation sombre à 70 °C est particulièrement appropriée pour le traitement des eaux usées de TMP car elle est libérée à haute température (50-80 °C) et pourrait être traitée sur site. Les eaux usées de TMP peuvent également être utilisées comme substrat pour la production d'électricité dans les MFC mésophiles. La production d'électricité dans les MFC thermophiles est faisable, mais l'enrichissement des micro-organismes exoélectrogènes thermophiles peut nécessiter une longue période de démarrage.

  • Titre traduit

    Mesophilic and thermophilic biohydrogen and bioelectricity production from real and synthetic wastewaters


  • Résumé

    Dark fermentation and microbial fuel cells (MFCs) are two emerging technologies for biological conversion of the chemical energy of organic compounds into hydrogen (H2) and electricity, respectively. Due to kinetic and thermodynamic advantages, high temperature can be the key for increasing both dark fermentative H2 production and electricity production in MFCs. Therefore, this thesis focuses on delineating how temperature influences biological production of H2 and electricity from organic carbon-containing wastewaters. Two heat-treated inocula (fresh and digested activated sludge) were compared, for H2 production from xylose at 37, 55 and 70 °C. At both 37 and 55 °C, a higher H2 yield was achieved by the fresh than digested activated sludge, whereas a very low H2 yield was obtained by both inocula at 70 °C. Then, four different inoculum pretreatments (acidic, alkaline, heat and freezing shocks) were evaluated for creating an efficient mesophilic (37 °C) or thermophilic (55 °C) H2 producing community. Acidic and alkaline shocks selected known H2 producing microorganisms belonging to Clostridiaceae at the expenses of lactate producing bacteria, resulting in the highest H2 yield at 37 and 55 °C, respectively. Although a heat shock resulted in a low H2 yield in a single batch, H2 production by the heat-treated fresh activated sludge was shown to increase in the experiment with four consecutive batch cycles. Heat-treated fresh activated sludge was selected as inoculum for continuous H2 production from a xylose-containing synthetic wastewater in a mesophilic (37 °C) and a thermophilic (55-70 °C, increased stepwise) fluidized bed reactor (FBR). A higher H2 yield was obtained in the thermophilic than in the mesophilic FBR. Furthermore, H2 production at 70 °C, which failed in the earlier batch study, was successful in the FBR, with a stable yield of 1.2 mol H2 mol-1 xyloseadded. Operation temperature of 70 °C was also found optimal for H2 production from thermomechanical pulping (TMP) wastewater in a temperature gradient incubator assay. A RNA approach was used to study the structure and role of the anode-attached, membrane-attached and planktonic microbial communities in a mesophilic (37 °C) and a thermophilic (55 °C) two-chamber, xylose-fed MFC. An anode attached community dominated by Geobacteraceae sustained electricity production at 37 °C, whereas the establishment of methanogenic and H2 oxidizing microorganisms resulted in a low electricity production at 55 °C. However, the development of a thermophilic exoelectrogenic community can be promoted by applying a start-up strategy which includes imposing a negative potential to the anode and chemical inhibition of methanogens. A mesophilic exoelectrogenic community was also shown to produce electricity from TMP wastewater in an upflow MFC operated at 37 °C. In conclusion, a higher and more stable H2 yield can be achieved in thermophilic rather than mesophilic dark fermentation. Dark fermentation at 70 °C is particularly suitable for treatment of TMP wastewater as it is released at high temperature (50-80 °C) and could be treated on site. TMP wastewater can be also used as substrate for electricity production in mesophilic MFCs. Electricity production in thermophilic MFCs is feasible, but enrichment of thermophilic exoelectrogenic microorganisms may require a long start-up period.