Thèse en cours

Fractionnement de digestats par filtration membranaire dynamique couplée à la coagulation et floculation
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Triangle exclamation pleinLa soutenance a eu lieu le 12/12/2023. Le document qui a justifié du diplôme est en cours de traitement par l'établissement de soutenance.
Auteur / Autrice : Aldo Betancourt sanchez
Direction : Mathieu SperandioChristelle Guigui
Type : Projet de thèse
Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
Date : Inscription en doctorat le
Soutenance le 12/12/2023
Etablissement(s) : Toulouse, INSA
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : TBI - Toulouse Biotechnology Institute, Bio & Chemical Engineering
Equipe de recherche : SYMBIOSE - Ecosystèmes microbiens et bioprocédés d'épuration et de valorisation
Jury : Président / Présidente : Claire Albasi
Examinateurs / Examinatrices : Mathieu Sperandio, Christelle Guigui, Julie Jimenez, Nicolas Roche, Fabrice Béline
Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas Roche, Fabrice Béline

Résumé

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Le digestat est un résidu riche en composés organiques et minéraux, qui a suscité l'intérêt des agriculteurs en tant qu'alternative aux engrais conventionnels. En effet, l'épandage est la pratique la plus courante dans toute l’Europe. Néanmoins, l’évolution des réglementations obligeront aux exploitants de trouver des différentes options de valorisation. La filtration tangentielle dynamique membranaire se positionne comme une alternative pour traiter ce type d’effluents et offrir une solution efficace pour réduire les volumes de stockage, redistribuer la concentration déséquilibrée en nutriments et récupérer l'eau encore contenue dans le digestat. L'objectif de ce travail a été d'améliorer un procédé de nanofiltration (NF) dynamique, équipé de disques céramiques membranaires rotatifs, en réalisant un prétraitement par coagulation/floculation de la fraction liquide du digestat. Il a été primordial de comprendre l'impact de la variabilité des propriétés du digestat ainsi que l'ajout de différents coagulants et floculants sur les performances hydrauliques, la réversibilité du colmatage et la rétention organo-minérale. Une première approche de prétraitement par floculation couplé à une presse à vis à disques et à une nanofiltration dynamique a été réalisé à l’échelle pilote. Ces expériences ont montré que la structure du floculant joue un rôle dans la concentration et la capture des solides totaux et du Ca2+ et PO43-. La DCO soluble ni les performances hydrauliques n’ont pas été affectée par l'étape de prétraitement peut être à cause du colmatage de ces composés organiques solubles. Ensuite, une exploration de l’impact de plusieurs de coagulants sur les propriétés physico chimiques du digestat a été faite. L'utilisation de réactifs à des dosages importants a provoqué une meilleure capture de DCO soluble (>20%) ainsi qu’une augmentation de la taille des particules et de la viscosité. Il a également amélioré la filtrabilité selon des tests réalisés en cellule Amicon. Un coagulant biosourcé (tannin) et un minéral (FeCl3) ont été choisi comme les meilleures options en fonction de ces critères. Une analyse rhéologique détaillée a été réalisée et il a été conclu que l’effet des réactifs sur la viscosité apparente n’est pas significatif en présence d’un cisaillement élevé. Finalement deux séries d’expériences ont été effectuées avec un pilote de NF dynamique à échelle laboratoire. La première série a étudié l’effet de la charge cationique des floculants sur la filtration directe des deux types de digestat (agricole ou biodéchets). Dans la deuxième, les coagulants choisis ont été comparés avec un flocculant sur de digestat agricole. Les deux approches de filtration : directe et surnageant, ainsi que l’impact du seuil de coupure des membranes et la température de filtration ont été évalués. Dans les deux cas, les avantages du prétraitement ont été révélés. Il a été préférable de filtrer directement le digestat traité plutôt que d'enlever les flocs et de filtrer le surnageant. Ceci a permis d'obtenir un bénéfice de 20 à 30% en performance hydraulique pour les 3 types de digestat utilisés. Une réduction de 20 à 36 % de la résistance totale à la filtration avec l'ajout de floculant et coagulant a été constatée mais le colmatage organique a augmenté de manière significative dans certains cas. L’effet positif de la charge cationique a dépendu du type de digestat et n'a pas eu un impact significatif dans la rétention d’ions. La DCO soluble a été réduite efficacement en ajoutant des coagulants plutôt que des floculants. A travers le HPLC-SEC et la fluorescence 3D on a visualisé comment les coagulants ont retenu les particules les plus grandes >35 – 20 kDa et les composés de type humique et ligniques/mélanoïdiques. Une optimisation du dosage des réactifs doit être poursuivie, en conjonction avec les paramètres opérationnels tels que la température, la pression et la vitesse de rotation pour envisager une application industrielle viable.