Récupération de l'ammoniac des eaux usées par un procédé d'absorption chimique transmembranaire : traitement des digestats et des urines.

Ammonia recovery from wastewater by transmembrane chemical absorption process: digestate and urine treatment.

• Auteur / Autrice : Irene Gonzalez salgado
• Direction : Mathieu Sperandio, Christelle Guigui
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• 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
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : SYMBIOSE - Ecosystèmes microbiens et bioprocédés d'épuration et de valorisation
• Jury : Président / Présidente : Claire Albasi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mathieu Sperandio, Eric Favre, Anna Mikola, Christelle Guigui, Emilie Carretier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eric Favre, Anna Mikola

Mots clés

Mots clés libres

Valorisation ammoniac

Membrane à fibres creuses

Fertilisant azoté

Contacteur à membrane gaz-liquide

Urine

Digestat de méthanisation

Ammonia recovery

Hollow fibre membrane

Nitrogen fertilizer

Gas-liquid membrane contactor

Urine

Digestate from anaerobic digestion

Résumé

Les technologies de récupération des nutriments des eaux usées font l’objet d’une attention toute particulière qui augmente de nos jours.. Alors que les technologies pour la récupération du phosphore sont progressivement mises en œuvre, très peu d'applications sont encore visibles pour la récupération de l'azote. Ceci est d’autant plus nécessaire que la production traditionnelle d'engrais azotés est coûteuse en énergie. Une approche durable serait de convertir ces nutriments en engrais pour le secteur agricole et de transformer des unités de traitement en unités de récupération et de production de ressource Dans ce contexte, le procédé TMCS (absorption chimique transmembranaire), est une technologie innovante et prometteuse envisageable pour la récupération de l’ammoniac d’une large gamme de déchets, notamment le digestat, l'urine, le fumier ou les effluents industriels. Cette technique est basée sur l’utilisation des contacteurs membranaires à fibres creuses qui permettent la récupération de l’ammoniac de l’effluent pour la production d’un sel d’ammonium valorisable en tant que fertilisant. Ainsi, l’objectif global de cette thèse était d’évaluer la faisabilité de l’utilisation du procédé TMCS pour les digestats issus de la digestion anaérobie et l’urine. Après une analyse bibliographique, le prétraitement des effluents liquides, l'impact des conditions opérationnelles et les caractéristiques des effluents à traiter, la compréhension et caractérisation des phénomènes du transfert de l’ammoniac et la vapeur d’eau ainsi que l'encrassement et le mouillage des membranes, sont identifiés comme des défis majeurs pour cette technologie. A l’échelle laboratoire, le traitement de l’urine et le digestat, après fractionnement, et l’effet des conditions hydrauliques a été démontré, obtenant des rendements de récupération de l’ammoniac autour de 70%. Une attention spéciale a été mise sur l’effet de la salinité des effluents et leur impact dans le rendement d’extraction et le transfert de la vapeur d’eau. Un prétraitement approprié pour maximiser la forme NH3 des effluents est un point clé pour les performances et les aspects économiques du procédé. La technologie TMCS doit être incluse dans une chaîne de processus globale comprenant des prétraitements qui visent l’augmentation de pH et la protection de l’installation des matières en suspension et la précipitation des sels. Une approche expérimentale et modélisation, à l’échelle laboratoire et pilote, a été mené pour étudier l’augmentation du pH par stripping de CO2, addition d’une base (Ca(OH)2 et NaOH), une combination de deux, ainsi que l’évaluation des risques de précipitation des sels. L'utilisation de la technologie TMCS pour traiter le digestat après une étape de prétraitement a été démontrée à l'échelle pilote, permettant d'atteindre une élimination du TAN de 98% et de produire une solution concentrée de (NH4)2SO4 de 99.2 g L-1. Ces résultats ont permis de développer un model semi-empirique de l’ensemble de la filière, qui a été utilisé pour optimiser les conditions opératoires du procédé, tels que le pH, température et débit de l’alimentation, ainsi que calculer la consommation d’énergie primaire.

Nutrient recovery technologies from wastewater have drawn the world’s attention. While technologies for phosphorus recovery are gradually being implemented, very few applications are yet visible for nitrogen recovery. This is essential because the traditional production of nitrogen fertilisers is energy intensive. A sustainable approach would be converting these nutrients into fertiliser for the agricultural sector and transforming treatment units into resource recovery and production units. In this context, the TMCS (transmembrane chemical absorption) process is an innovative and promising technology for the recovery of ammonia from a wide range of wastes, including digestate, urine, manure or industrial effluents. This technique is based on using hollow fibre membrane contactors that allow the recovery of ammonia from the wastewater to produce an ammonium salt that can be used as a fertiliser. Thus, the overall objective of this thesis was to evaluate the feasibility of using the TMCS process for treating anaerobic digestate and urine. After a literature review, the pretreatment of liquid effluents, the impact of operational conditions and the characteristics of the effluents to be treated, the understanding and characterisation of ammonia and water vapour transfer phenomena as membrane fouling and wetting are identified as major challenges for this technology. At the laboratory scale, the treatment of urine and digestate, after fractionation, and the effect of hydraulic conditions were demonstrated, achieving an ammonia recovery efficiency of close to 70%. Special attention was paid to the effect of effluent salinity and its impact on extraction efficiency and water vapour transfer. Appropriate pretreatment to maximise the NH3 form of the effluent is a crucial point for the performance and economics of the process. TMCS technology must be incorporated into an overall process chain, including pretreatments to increase the pH and protect the plant from suspended solids and salt precipitation. An experimental and modelling approach, at laboratory and pilot scale, was conducted to study the increase of pH by CO2 stripping, the addition of a base (Ca(OH)2 and NaOH), a combination of two, as well as the evaluation of the risks of salt precipitation. The use of TMCS technology to treat digestate after a pretreatment step was demonstrated on a pilot scale, achieving 98% TAN removal and producing a concentrated (NH4)2SO4 solution of 99.2 g L-1. These results allowed the development of a semi-empirical model of the overall system, which was used to optimise the process operating conditions, such as pH, temperature and feed rate, and to calculate the primary energy consumption.