Diffusion d'ozone par contacteur membranaire pour l'élimination de micropolluants

Oxydation of micropollutants using membrane contactors for the diffusion of ozone

• Auteur / Autrice : Alice Schmitt
• Direction : Julie Mendret, Stéphan Brosillon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 09/12/2021
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale GAIA Biodiversité, agriculture, alimentation, environnement, terre, eau (Montpellier ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Européen des membranes (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Gaël Plantard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julie Mendret, Stéphan Brosillon, Gaël Plantard, Marie-Hélène Manero, Éric Favre, Denis Bouyer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Hélène Manero, Éric Favre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Micropolluants

Ozone

Eau -- Epuration -- Filtration sur membrane

Mots clés libres

Traitement des eaux

Contacteur membranaire

Ozone

Micropolluants

Water treatment

Membrane contactor

Ozone

Micropollutants

Résumé

L’utilisation de l’ozone pour le traitement des eaux usées est de plus en plus répandue, en particulier pour les traitements d’affinage en réutilisation des eaux usées. Habituellement, l’ozone est injecté sous forme de bulles, avec comme inconvénients des coûts opératoires importants, la possibilité de stripage de composés organiques volatiles, la difficulté de maîtriser l’hydrodynamique des colonnes à bulle et la formation de mousse. Les contacteurs membranaires permettent de pallier ces faiblesses en permettant la diffusion d’un composé en phase gaz vers une phase liquide sans formation de bulles, avec une aire interfaciale élevée et par conséquent une économie des coûts énergétiques et de production. En outre, les contacteurs membranaires présentent une géométrie modulable qui peut être facilement transposée à l’échelle de production requise. Ainsi, l’objectif global de cette thèse était d’évaluer la faisabilité de l’utilisation de contacteurs membranaires en lieu et place des réacteurs d’ozonation traditionnels, en traitement tertiaire d’affinage, pour la dégradation de molécules réfractaires lors du traitement des eaux usées. Après une analyse bibliographique des travaux publiés sur le sujet, il s’agissait d’effectuer une caractérisation complète du procédé et des phénomènes de transfert mis en jeu. Une maîtrise fine des pressions de part et d’autre de la membrane est nécessaire pour assurer un bon transfert du gaz vers le liquide. La résistance majoritaire au transfert ainsi que les principaux paramètres impactant le transfert ont été identifiés. L’application de ce procédé pour l’élimination de molécules organiques et la minimisation de bromates a été évaluée expérimentalement dans la configuration in/out. Le procédé s’est révélé efficace pour un temps de séjour très court sur les composés organiques d’origine pharmaceutique sélectionnés comme modèles, atteignant jusqu’à 59% et 50% d’abattement respectivement pour la carbamazépine et le sulfaméthoxazole. Ce procédé semble également être une solution intéressante pour limiter la formation de bromates grâce à un temps de séjour très court, le tout en produisant une quantité de radicaux hydroxyles importante, utile pour une élimination efficace des micropolluants organiques. Afin de permettre une meilleure compréhension des phénomènes limitants et à des fins d’optimisation du procédé, une démarche de modélisation du réacteur en trois dimensions a été associée à ce travail, via l’utilisation du logiciel Comsol Multiphysics. Les profils de concentration obtenus ont mis en évidence l’importance de l’hydrodynamique dans le carter lorsque le liquide circule dans celui-ci afin d’assurer une bonne distribution de l’ozone et ainsi un bon abattement des polluants ciblés. L’étude du vieillissement des contacteurs membranaires après ozonation a montré l’importance des matériaux utilisés, qui doivent être résistants à l’ozonation à long terme afin qu’une application à l’échelle de la station d’épuration puisse être envisagée.

The use of ozone to disinfect sewage has significantly increased, especially when a high degree of treatment is required for water reuse. Ozone in water treatment is usually injected in the form of bubbles, with disadvantages such as operational costs, stripping of volatile organic compounds, the difficulty of control of bubble column hydrodynamics and foam generation. By using a bubbleless operation for gas transfer to liquid phase, membrane contactor can overcome these weaknesses with a high interfacial area, leading to a reduction of energy and production costs. Furthermore, membrane contactors are modular and can thus be easily scaled up to the required production scale.The global objective of this thesis was to evaluate the feasibility of using membrane contactors as an alternative to chamber reactors in tertiary treatment for the removal of refractive pollutants in waste water treatment. After a state-of-the-art analysis, the complete characterization of ozone transfer through membrane contactors as well as the transfer phenomena involved was carried out. Precise control of the transmembrane pressures was necessary to ensure good transfer from gas to liquid. The major resistance to the transfer and the main parameters impacting the transfer were identified. The application of this process for the degradation of organic compounds and the minimization of bromates was experimentally evaluated with a in/out configuration. The process has proved to be effective for a very short residence time on organic pharmaceuticals selected as models, achieving up to 59% and 50% abatement for carbamazepine and sulfamethoxazole, respectively.Besides, this process seems to be an advantageous solution to limit the formation of bromates thanks to a very short residence time, while producing a large amount of hydroxyl radicals which are useful for an effective elimination of organic micropollutants. In order to allow a better understanding of the limiting phenomena along with process optimization purposes, a three-dimensional modeling approach of the reactor was associated with this work, through the use of the Comsol Multiphysics software. The concentration profiles obtained highlighted the importance of hydrodynamics in the shell when the liquid circulates in it in order to ensure a good distribution of ozone and thus a good removal of the targeted pollutants. The study of membrane contactors aging process after ozonation pointed out the importance of the materials used, which must be resistant to long-term ozonation so that a wastewater treatment plant scale application can be considered.