FR3123347A1 - Reacteur bio-electrochimique optimise, notamment pour la degradation de la demande chimique en oxygene d’un effluent - Google Patents

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Florence DE FOUCHÉCOUR
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Abstract

L'invention concerne un réacteur bio-électrochimique optimisé de traitement d’un effluent liquide contenant une pollution organique biodégradable. Selon l’invention, l’un au moins des compartiments anodique et cathodique du réacteur est un compartiment à biofilm microbien (12) comportant un collecteur de courant multi-étagé immergé dans un électrolyte comprenant des microorganismes électro-actifs. Ce collecteur de courant comprend au moins deux étages définissant chacun une chambre faisant office de contenant pour un matériau support granulaire biocompatible et laissant passer le fluide. L’effluent circule à l’intérieur du compartiment (12) suivant une direction X traversant les étages du collecteur de courant. En fonctionnement, le matériau support (17) est dans un état fluidisé résultant soit de la circulation de l’effluent, soit de la circulation d’un gaz de fluidisation permettant d’optimiser la surface active de l’électrode et par conséquent le traitement de l’effluent. Figure pour l’abrégé : figure 1

Description

REACTEUR BIO-ELECTROCHIMIQUE OPTIMISE, NOTAMMENT POUR LA DEGRADATION DE LA DEMANDE CHIMIQUE EN OXYGENE D’UN EFFLUENT
DOMAINE DE L’INVENTION
L’innovation a trait au domaine du traitement et de la valorisation des effluents contenant une pollution organique biodégradable, tels que les eaux usées (municipales ou industrielles) ou des déchets organiques tels des lisiers ou lixiviats, et plus particulièrement les systèmes et les procédés électrochimiques mettant en œuvre des réacteurs bio-électrochimiques c’est-à-dire des dispositifs électrochimiques dont l’une au moins des électrodes appelée bio-électrode, est au contact de microorganismes.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE
De tels systèmes et procédés électrochimiques, qui sont des technologies relativement récentes (environ 20 ans) permettent en particulier le couplage du traitement d’effluents contenant de la matière organique (eau usée, hydrolysat, etc.) avec la production d’énergie électrique ou de molécules à valeur ajoutée, telles que des acides organiques et/ou des alcools. Dans le premier cas, on parle de piles à combustible microbiennes, tandis que dans le deuxième cas il s’agit d’électrolyseurs microbiens. Dans les deux cas, au moins une des deux réactions d’oxydation ou de réduction est catalysée par des microorganismes, généralement sous forme de biofilm. L’utilisation de microorganismes engendre des contraintes telles que l’instabilité de l’activité biologique au cours du temps, le vieillissement du biofilm en lien avec l’accumulation de biomasse, une sensibilité à certains inhibiteurs, y compris le dioxygène (O2) dans certains cas.
Historiquement, les premières configurations des systèmes bio-électrochimiques ont été inspirées des technologies purement électrochimiques de type « stack » contenant des électrodes planes disposées parallèlement les unes aux autres. Une telle configuration permet de minimiser les pertes énergétiques par diminution des résistances internes mais s’adapte mal à des réacteurs présentant de grands volumes de travail et rend difficile la maintenance des réacteurs. De plus, les ratios surface électrode/volume du compartiment anodique sont généralement faibles, limitant donc les perspectives d’intensification du procédé ou son utilisation pour des effluents très dilués.
Ces premières configurations ont ainsi fait l’objet de recherches afin de développer des solutions adaptées au traitement des eaux usées. Une première solution consiste à utiliser des électrodes en forme de brosse facilitant la montée en échelle, l’établissement d’un biofilm ainsi que la maintenance du système bio-électrochimique. En théorie, ces électrodes en forme de brosse développent plus de surface utile que les électrodes planes. Cependant, cet avantage est rapidement contrebalancé lorsque les brosses sont colmatées par des biofilms microbiens. Cette configuration souffre donc elle aussi de faibles ratios surface électrode/volume du compartiment anodique.
Une autre famille de solutions est inspirée des procédés de traitement des eaux usées par biomasse fixée ou granulaire. Ces solutions utilisent des électrodes granulaires à lit fixe, les électrodes formant des compartiments soit entièrement remplis de matériau granulaire, tel que décrit par exemple par Zhou, Y. et al. [6], soit partiellement remplis de matériau granulaire, tel que décrit par exemple par Jia, Y. H. et al. [2]. Ces procédés visent à optimiser le traitement des eaux usées : ils peuvent traiter de grands volumes car ils présentent un grand ratio surface électrode/volume du compartiment anodique, mais ils ne sont pas forcément adaptés aux contraintes électrochimiques. En particulier, ces configurations peuvent imposer des contraintes importantes sur le design du collecteur de courant et les géométries du réacteur, et sont généralement caractérisées par de grandes résistances internes, menant à des pertes énergétiques significatives.
Ainsi, par exemple, Jia, Y. H. et al. [2] ont décrit une cellule d’électrolyse microbienne permettant de produire de l’hydrogène gazeux à partir de biomasse par un procédé catalysé par des microorganismes. Le bioréacteur utilisé comprend un compartiment anodique et un compartiment cathodique séparés par une membrane, le compartiment anodique comprenant des modules formant des paniers métalliques remplis de granules de graphite sur lesquelles sont déposés les microorganismes. Ces modules sont disposés verticalement côte à côte horizontalement, parallèlement les uns aux autres avec un espacement. L’écoulement de l’effluent à traiter se fait ainsi préférentiellement le long des modules, et non pas au travers, ce qui ne favorise pas les échanges avec les granules de graphite et les microorganismes. En particulier, les granules situés à l’intérieur des paniers ne peuvent pas être fluidisés.
D’autres solutions utilisant des électrodes granulaires à lit fluidisé ont été développées. Ainsi, Li, J. et al. [3] ont étudié un réacteur bio-électrochimique à membrane (aussi appelé « MBER », « Membrane BioElectrochemical Reactor ») utilisant un lit fluidisé afin de réduire le colmatage de la membrane. Le réacteur est formé d’une membrane échangeuse de cations de forme tubulaire. L’anode est un tissu de carbone supporté par un grillage métallique disposé à l’intérieur de la membrane tubulaire, le long de la paroi interne de celle-ci. L’intérieur de la membrane tubulaire comprend des membranes en forme de fibres creuses et des particules de charbon actif. La cathode est formée d’un tissu de carbone recouvert de poudre Pt/C venant entourer la membrane tubulaire. Enfin, des microorganismes sont introduits à l’intérieur de la membrane tubulaire. En fonctionnement, les particules de charbon actif situées à l’intérieur de la membrane tubulaire sont fluidisées. Cette étude montre toutefois que le réacteur MBER à lit fluidisé ne peut être utilisé seul pour le traitement d’une eau industrielle. Il est utilisé comme post-traitement d’une eau industrielle, venant après un traitement par une pile à combustible microbienne (aussi appelée « MFC », « Microbial fuel cell »).
Liu J. et al. [4] ont décrit une cellule d'électrolyse microbienne à électrode granulaire fluidisée fonctionnant en batch. Le réacteur se présente sous la forme d’un tube en PVC (chlorure de polyvinyle) comprenant des particules de charbon actif en tant qu’anode fluidisée, ces particules vont servir de support aux microorganismes. Un filtre de nylon positionné en bas du réacteur permet d’éviter aux particules de sortir du réacteur par le bas. Le collecteur de courant anodique est formé d’un bloc de graphite positionné à l’intérieur du réacteur dans sa moitié inférieure. La cathode est formée d’un grillage métallique cylindrique positionné en partie haute du réacteur. Une boucle de recirculation relie la sortie du réacteur à une entrée. En fonctionnement, l’effluent circule de bas en haut et fluidise les particules de charbon actif qui vont se décharger sur le collecteur de courant anodique. Lors de la fluidisation, ces particules sont toutefois susceptibles d’être entraînées jusqu’à la cathode, ce qui perturberait le fonctionnement du procédé. En outre, le fonctionnement en batch n’est pas adapté à une échelle industrielle.
L’article Liu, J. et al. [5] décrit une cellule d'électrolyse microbienne comprenant deux chambres disposées l’une au dessus de l’autre et séparées par un grillage en titane faisant office de collecteur de courant anodique. La chambre inférieure forme une chambre anodique qui contient des granules de charbon actif destinées à recevoir les microorganismes, la chambre supérieure forme une chambre cathodique. En fonctionnement, un agitateur magnétique permet de fluidiser les granules de charbon actif à l’intérieur de la chambre anodique. Ce système fonctionne également en batch, peu adapté à une échelle industrielle. En outre, le positionnement d’une ou plusieurs membranes entre les compartiments cathodique et anodique de la configuration décrite semble peu envisageable : un flux hydraulique vertical ascendant (ou descendant) imposerait d’importantes contraintes mécaniques sur la ou les membranes, susceptibles d’engendrer leur rupture.
Enfin, Deeke, A. et al. [1] ont décrit une cellule d'électrolyse microbienne comprenant une colonne en verre et une cellule de décharge distincte. La cellule de décharge comprend l’anode et la cathode. L’effluent à traiter circule de bas en haut dans la colonne en verre. Des particules de charbon actif sont introduites dans la colonne en verre et fluidisées par un flux d’azote gazeux. Elles sont ainsi transportées jusqu’à la cellule de décharge puis sont à nouveau transportées dans la colonne en verre. Cette configuration est toutefois complexe à mettre en œuvre et peu adaptée à une échelle industrielle. En particulier, les particules ne peuvent se décharger que dans la cellule de décharge, ce qui peut limiter leur fréquence de décharge. En outre, la circulation des particules entre les deux parties de la cellule nécessite l’utilisation de conduits susceptibles de se boucher, en particulier lorsque la charge en granules est élevée.
De manière générale, les systèmes de l’art antérieur visent à maximiser le rendement faradique et/ou la production de molécules d’intérêt (tels que l’acétate, le lactate, etc…, bioraffinerie).
La présente invention poursuit un objectif différent : elle propose un système bio-électrochimique qui optimise la dégradation des molécules organiques, notamment en vue d’applications au stade industriel.
L’invention vise donc à pallier les inconvénients de l’art antérieur en proposant un réacteur bio-électrochimique - notamment un réacteur d’électrolyse ou d’électrosynthèse microbienne - apte à traiter un effluent contenant de la pollution organique (matière organique biodégradable), tel qu’un effluent d’eaux usées, adaptable à l’échelle industrielle.
L’invention vise également à fournir un procédé de traitement ou de prétraitement d’un effluent contenant notamment de la pollution organique (matière organique biodégradable) comprenant une étape de réaction bio-électrochimique.
Le système et le procédé de l’invention sont économes en énergie, et compétitifs par rapport à un traitement à l’aide d’un bassin d’aération à la fois sur le plan de l’abattement de la DCO (Demande Chimique en Oxygène) et de la consommation d’énergie.
DESCRIPTION DE L’INVENTION
A cet effet, la présente invention concerne un réacteur bio-électrochimique de traitement d’un effluent liquide, comprenant au moins un compartiment anodique et au moins un compartiment cathodique.
Selon l’invention, au moins un des compartiments anodique et cathodique est un compartiment à biofilm microbien comportant :
- au moins une entrée de fluide située à une extrémité du compartiment,
- au moins une sortie de fluide située à une extrémité opposée du compartiment
- des moyens de mise en circulation du fluide à l’intérieur du compartiment entre l’au moins une entrée et l’au moins une sortie suivant une direction X,
- un électrolyte comprenant des microorganismes électro-actifs,
- un matériau support granulaire biocompatible,
- un collecteur de courant multi-étagé situé entre l’au moins une entrée et l’au moins une sortie de fluide dudit compartiment à biofilm microbien, ledit collecteur comprenant au moins deux étages définissant chacun une chambre faisant office de contenant pour le matériau support granulaire et laissant passer le fluide.
De plus, la direction X de circulation du fluide à l’intérieur du compartiment est non parallèle, et de préférence orthogonale, ou sensiblement orthogonale, à une direction Z allant du compartiment anodique vers le compartiment cathodique. Cette direction X peut avantageusement être parallèle à la direction de la gravité pour faciliter la fluidisation. Les chambres du collecteur de courant sont alors positionnées les unes au dessus des autres.
Enfin, à l’intérieur d’au moins une chambre du collecteur de courant, dite chambre de fluidisation, une hauteur au repos de matériau support granulaire mesurée suivant la direction X en l’absence de circulation de fluide à l’intérieur du compartiment à biofilm microbien, est adaptée à une fluidisation dudit matériau support granulaire.
Cette configuration dans laquelle le(s) compartiment(s) à film microbien comprend(comprennent) un ou plusieurs étages de matériau fluidisé apporte un bon compromis entre les capacité et qualité de traitement du réacteur et ses performances électrochimiques.
Cet agencement particulier permet notamment d’améliorer le contact entre les microorganismes électro-actifs en maximisant la surface d’accroche pour les microorganismes, notamment par rapport aux systèmes équipés d’électrodes granulaires non fluidisées. On peut ainsi améliorer le traitement de l’effluent.
En outre, la structure multi-étagée du collecteur de courant permet de faciliter et d’homogénéiser la fluidisation du matériau support granulaire au niveau de chaque étage fluidisé. Il est ainsi possible d’obtenir une fluidisation relativement homogène sur la totalité des étages fluidisés, autrement dit sur la totalité du volume du compartiment occupé par ces étages et en particulier sur la totalité de la hauteur et/ou du volume du collecteur de courant lorsque les étages sont répartis sur toute la hauteur et/ou le volume de ce dernier. On minimise ainsi les volumes morts dans le compartiment à biofilm microbien et le colmatage, améliorant également le traitement de l’effluent.
Par ailleurs, la fluidisation a lieu selon une direction X qui n’est pas parallèle, et de préférence orthogonale à une direction reliant les compartiments anodique et cathodique. Cette caractéristique, ajoutée à la fluidisation relativement homogène sur toute la hauteur et/ou le volume du compartiment occupé par les étages de fluidisation, permet notamment de stabiliser les lignes de courant dans le réacteur.
La fluidisation permet également, par des effets de frottement, de modérer la formation du biofilm, et donc la boue générée lors du fonctionnement du réacteur. Le réacteur et le procédé de l’invention permettent ainsi de limiter la taille des agrégats biologiques produits lors du traitement de l’effluent, ce qui limite l’accumulation des matières dans le réacteur et constitue un avantage significatif dans un procédé de traitement d’un effluent. La modération de la formation du biofilm permet également de tirer le meilleur parti des potentielles propriétés capacitives du matériau support granulaire. En résumé, la fluidisation permet de limiter les rendements apparents de croissance des microorganismes sans toutefois altérer leur activité.
La structure multi-étagée du collecteur de courant permet en outre une grande flexibilité d’opération et de maintenance du réacteur. On peut en effet remplacer le matériau support granulaire d’un étage indépendamment du ou des autres étages. On pourra alors parler de renouvellement différentiel du matériau granulaire pour chaque étage. En particulier, le collecteur de courant pourra être formé d’une structure en une seule partie, chaque chambre étant par exemple équipée d’une porte pour le chargement du matériau support, ou bien, le collecteur de courant pourra être formé d’une structure en plusieurs parties, par exemple en plusieurs modules reliés électriquement les uns aux autres, chaque module définissant une chambre équipée d’une porte ou présentant une ouverture supérieure ouverte à la matière d’un panier. Pour une manipulation aisée, le collecteur de courant ou chaque module du collecteur de courant pourra être amovible.
On peut aussi utiliser des matériaux supports et/ou des consortia de microorganismes différents pour chaque étage. Cela permet d’adapter le matériau support (matériau, taille, nombre, densité…) et/ou les populations de microorganismes en fonction des objectifs recherchés. Cette flexibilité permet d’envisager la spécialisation des étages dans un traitement particulier. En particulier, on pourra prévoir des populations de microorganismes spécialisées dans les traitements aérobies pour l’étage le plus proche de l’entrée d’effluent, les microorganismes tirant parti des traces d’oxygène dissout dans l’effluent (par exemple spécialisés pour l’oxydation de la DCO par l’O2dissous dans l’effluent). Les étages suivants seraient quant à eux spécialisés dans des traitements anaérobies. La « chambre » aérobie peut aussi servir à protéger des chambres situées en aval qui doivent être strictement anaérobies pour un bon développement des microorganismes électro-actifs.
Les microorganismes électro-actifs peuvent ainsi être des microorganismes aérobies ou anaérobies. Ces microorganismes diffèrent en fonction de l’électrode sur laquelle ils se développent sous forme de biofilm, et des caractéristiques de l'électrolyte dans lequel ils sont immergés. Par exemple, lorsque des eaux usées ou des hydrolysats de biodéchets sont injectés dans un électrolyte anodique, on observe une population abondante affiliée au genre Geobacter. En revanche, dans un milieu salin, d'autres genres tels que Geoalkalibacter ou Desulforomonas peuvent devenir dominants. Ainsi, lorsque les micro-organismes sont situés sur l’anode, on parle de microorganismes électro-actifs anodiques, tandis que lorsque les micro-organismes sont situés sur la cathode, on parle de microorganismes électro-actifs cathodiques ou électrotrophes.
Avantageusement, l’au moins un compartiment à biofilm microbien peut comporter un ou plusieurs circuits de recyclage de l’effluent traité. Ce compartiment peut ainsi comporter au moins un circuit de recyclage reliant l’au moins une sortie à l’au moins une entrée de fluide ou reliant l’au moins une sortie à au moins une entrée de recyclage débouchant dans l’une des chambres ou en amont de l’une des chambres par rapport à la circulation du fluide. Ceci peut permettre de faciliter la fluidisation du matériau support et d’augmenter le temps de séjour de l’effluent dans le compartiment. Lorsque l’effluent traité (sortant du compartiment à biofilm microbien) est renvoyé vers une des chambres de fluidisation, il est possible d’effectuer ce renvoi vers une chambre autre que celle ou celles recevant en premier l’effluent à traiter. Dit autrement, l’effluent traité recyclé peut être renvoyé vers un étage situé en aval (par rapport à la circulation de l’effluent) d’au moins un premier étage dans lequel l’effluent à traiter entre. Cela peut être particulièrement avantageux, notamment en complément d’une spécialisation des différentes chambres. Par exemple, il est ainsi possible de spécialiser les micro-organismes d’une première chambre du collecteur de courant (d’amont en aval par rapport à la circulation de l’effluent) dans la dégradation aérobie de la DCO entrante avec l’O2dissous contenu dans l’effluent. Dans ce cas, le recyclage de l’effluent traité en aval de cette première chambre permet d’éviter de fluidiser cette première chambre qui joue alors un rôle de bio-filtre en lit fixe et d’éviter le transport d’O2dissous vers les chambres de fluidisation situées en aval qui peuvent alors fonctionner dans des conditions anaérobies. On comprend ainsi que l’on pourra fluidiser une ou plusieurs des chambres du collecteur de courant selon les réactions que l’on souhaite favoriser.
Avantageusement, de manière générale, l’au moins un compartiment à biofilm microbien du réacteur selon l’invention peut comporter des moyens d’introduction d’un gaz de fluidisation, par exemple situés en amont d’une chambre de fluidisation, notamment en amont de la chambre de fluidisation la plus en amont par rapport à la circulation du fluide, par exemple à l’une des extrémités du compartiment, lorsque le gaz de fluidisation et l’effluent à traiter circulent à co-courant. Cette introduction peut alors être réalisée en aval d’au moins une chambre du collecteur de courant non fluidisée L’introduction d’un tel gaz, circulant à co-courant ou à contre-courant de l’effluent à traiter, peut faciliter la fluidisation du matériau support granulaire à l’intérieur de la ou des chambres de fluidisation.
Le compartiment anodique peut être un compartiment à biofilm microbien, et, optionnellement, le compartiment cathodique peut être un compartiment à biofilm microbien.
En fonction de l’utilisation souhaitée, le réacteur bio-électrochimique peut être :
  • un réacteur dont seul le compartiment anodique est un compartiment à biofilm microbien, par exemple utilisé, notamment dans une configuration bio-anode/cathode abiotique, pour coupler le traitement de matière organique d’un effluent dans le compartiment anodique (par oxydation bio-électrochimique de la DCO), soit avec la production d’H2à partir d’H2O à la cathode dans le cas d’un procédé d’électrolyse microbienne, soit avec une réduction d’O2à la cathode pour une pile microbienne,
  • un réacteur dont seul le compartiment cathodique est à biofilm microbien, par exemple utilisé dans une configuration anode abiotique/bio-cathode, pour coupler, dans le cadre d’une électrolyse, une réduction catalysée biologiquement (par exemple dénitrification d’un effluent ou réaction d’électrosynthèse) dans le compartiment cathodique à une oxydation de H20 dans le compartiment anodique,
  • ou un réacteur dont les deux compartiments sont des compartiments à biofilm microbien. En fonctionnement en tant qu’électrolyseur microbien, ce type de réacteur peut être utilisé dans les procédés de bio-électrosynthèse couplant un traitement de l’effluent à l’anode et la synthèse de molécules carbonées à la cathode. En fonctionnement en tant que pile microbienne, ce type de réacteur peut être utilisé pour coupler un traitement de l’effluent à l’anode avec un traitement de dénitrification à la cathode du même effluent ou d’un autre effluent.
Par compartiment à biofilm microbien, on entend ainsi un compartiment dont l’électrode est catalysée par des microorganismes, en d’autres termes dont l’électrode est une bio-électrode immergée dans un électrolyte comportant des microorganismes électro-actifs. La bio-électrode est ici une électrode granulaire.
Au sens de l’invention, une « bio-électrode » (« bio-anode » ou « bio-cathode ») est une électrode recouverte au moins en partie d’un biofilm bactérien comprenant des organismes électro-actifs, c’est-à-dire recouverte au moins sur une partie de sa surface immergée dans l’électrolyte par un biofilm bactérien. Selon un mode de réalisation, la totalité de la surface immergée de la bio-électrode est recouverte de biofilm. Alternativement, selon un autre mode de réalisation, une partie seulement de la surface de la bio-électrode est recouverte de biofilm. Dans ce dernier mode de réalisation, la surface recouverte de biofilm est suffisante pour générer l’activité recherchée, notamment dans le cas d’une oxydation d’hydrolysats de déchets organiques ou d’une synthèse bio-électrochimique.
Une bio-électrode peut être conditionnée par introduction d’un inoculum dans l’électrolyte ou encore par enrichissement de l’effluent à traiter en microorganismes d’intérêt. Au sens de l’invention, les microorganismes d’intérêt sont les microorganismes responsables de la bio-électrosynthèse, de dénitrification bio-cathodique ou d’oxydation bio-électrochimique de la DCO. Ils comprennent par exemple des bactéries capables d'utiliser les électrons ou l'hydrogène générés à la cathode pour synthétiser les composés désirés (tels que des acides organiques ou alcools).
A titre d’exemple, pour une utilisation en bio-électrosynthèse de composés tels que des acides organiques ou alcool, le compartiment cathodique du réacteur de l’invention étant un compartiment à biofilm microbien, l’inoculum peut être préparé à partir d’une boue de digesteur anaérobie, ayant éventuellement subi un prétraitement visant à inactiver les microorganismes méthanogènes. Ainsi, cette boue de digesteur peut subir un traitement thermique à une température et pendant une durée suffisante pour inactiver les microorganismes méthanogènes. Le prétraitement peut également comprendre l’enrichissement du déchet en microorganismes d’intérêt. Cette étape peut notamment comprendre l’ajout d’hydrogène et de dioxyde de carbone, par exemple dans une fiole fermée en mode discontinu. La culture résultant de cet enrichissement peut être utilisée directement et introduite dans le compartiment cathodique au démarrage du réacteur.
Dans un mode de réalisation, le réacteur selon l’invention peut être utilisé comme pile à combustible microbienne pour fabriquer du courant électrique.
Dans un autre mode de réalisation, le réacteur peut être un réacteur d’électrolyse ou un réacteur d’électrosynthèse microbienne comprenant des moyens d’application d’une différence de potentiel entre le collecteur de courant du compartiment à biofilm microbien et l’électrode de l’autre compartiment. Il peut alors être utilisé pour fabriquer du dihydrogène (H2) ou des molécules chimiques d’intérêt (méthane, acides organiques, alcool…).
En particulier, lorsque le réacteur est un réacteur d’électrosynthèse microbienne, le compartiment cathodique à biofilm microbien peut comporter au moins une autre entrée pour une source de carbone, typiquement injectée sous forme de gaz, tel que du CO2, du biogaz, ou du syngas, et/ou introduit en solution sous la forme de carbone organique : par exemple acétate et/ou sous la forme de carbone minéral, notamment un bicarbonate.
Le réacteur bio-électrochimique selon l’invention peut comprendre au moins un séparateur situé entre l’au moins un compartiment anodique et l’au moins un compartiment cathodique, par exemple lorsque des molécules solubles sont produites, typiquement à la cathode.
De manière générale, le séparateur permet le passage des ions (anions ou cations) entre les compartiments anodique et cathodique. Il peut comprendre une ou plusieurs membranes échangeuse d’ions, un matériau céramique poreux permettant le passage d’ions, ou autre. Lorsqu’il présente deux membranes échangeuses d’ions, il peut en outre comprendre un compartiment inter-membranaire.
Lorsque le compartiment anodique est un compartiment à biofilm microbien, la cathode peut avantageusement présenter une surface active supérieure à la surface active totale de la bio-anode. Cela permet de stabiliser le fonctionnement du réacteur, tel que décrit dans le document WO2020/ 053529. Par surface active d’une bio-électrode (ici bio-anode ou bio-cathode) on entend la surface exposée à l’électrolyte, cette surface étant polarisée. Lorsque la cathode est une bio-cathode, autrement dit lorsque le réacteur comporte aussi un compartiment cathodique à biofilm microbien, la bio-cathode présente une plus grande inertie du fait d’une surface active supérieure à la surface active totale de la bio-anode, ce qui permet de garantir un potentiel de cathode particulièrement stable. En effet, en fonctionnement, une fois que la cathode a atteint son potentiel de travail, la grande stabilité du potentiel de la cathode permet en pratique de mieux contrôler le potentiel anodique en faisant varier la différence de potentiel entre la bio-cathode et les bio-anodes, et sans avoir à recourir à une électrode de référence. Un tel système permet ainsi un contrôle fin du potentiel anodique et donc l'optimisation de l'activité du biofilm anodique.
Quelque soit le mode de réalisation, le séparateur peut comprendre une membrane échangeuse de cations et une membrane échangeuse d’anions séparées l’une de l’autre par un compartiment inter-membranaire comprenant un dispositif de soutirage de molécules synthétisées au sein dudit réacteur. Le compartiment inter-membranaire est ainsi apte à recueillir les ions ou molécules produites dans les compartiments anodique et/ou cathodique. Les molécules récupérées au niveau de ce compartiment inter-membranaire peuvent être par exemple des sels d’ammonium, des sels de phosphate ou autres. En général, des molécules (typiquement des molécules solubles) sont récupérées au niveau de ce compartiment lorsque le réacteur est un réacteur d’électrosynthèse pour la synthèse de molécules d’intérêt.
Lorsqu’un tel compartiment inter-membranaire est présent, les membranes peuvent être positionnées de sorte que le compartiment anodique est séparé du compartiment cathodique par, en allant du compartiment anodique vers le compartiment cathodique, ladite membrane échangeuse de cations et ladite membrane échangeuse d’anions. C’est le cas d’une synthèse d’acides carboxyliques à la cathode, dans laquelle on récupère des cations (eg NH4 +) du compartiment anodique et des anions (eg ions carboxylates) du compartiment cathodique. On notera cependant que le sens des membranes échangeuses d’anions/cations dépend des molécules que l’on souhaite récupérer et peut être inversé.
Pour remplir ses fonctions, le collecteur de courant est avantageusement :
- conducteur électrique, et
- sa structure permet le passage du fluide à traiter mais pas celui du matériau support granulaire.
Le collecteur de courant pourra ainsi être réalisé en, ou contenir, un matériau à base de carbone, tel que graphite, tissu de fibres de carbone, etc., ou un métal ou alliage métallique conducteur, le plus souvent de l’acier inoxydable, ou tout autre matériau utilisé habituellement pour réaliser un collecteur de courant.
Avantageusement, le collecteur de courant peut ainsi présenter une structure présentant une multitude d’orifices ne laissant pas passer le matériau particulaire, de préférence formée à partir d’une plaque perforée, d’un tissu ou d’un grillage. Ce type de structure présente l’avantage de ne pas faire écran aux lignes de courant. Les dimensions des orifices seront donc déterminées par les dimensions des particules de matériau support. Cette structure, notamment lorsqu’elle est formée d’un matériau peu rigide, tel qu’un tissu, peut être renforcée par un support, par exemple en acier inoxydable, auquel est solidarisée la structure.
Avantageusement, afin de minimiser les volumes morts, le collecteur de courant du compartiment à biofilm microbien du réacteur selon l’invention peut s’étendre sur 90 à 100% de la hauteur du compartiment à biofilm microbien, cette hauteur étant définie comme la distance, en particulier la distance la plus grande, séparant l’au moins une entrée de l’au moins une sortie du compartiment suivant la direction X.
En outre, le collecteur de courant peut épouser la forme du compartiment à biofilm microbien, ce qui permet de limiter encore, voire de supprimer, tout volume mort en fonctionnement. Avantageusement, le collecteur de courant peut ainsi occuper 90 à 100% du volume intérieur du compartiment à biofilm microbien.
Le réacteur présente typiquement une forme parallélépipédique ou cylindrique.
Selon l’invention, à l’intérieur d’au moins une chambre dite chambre de fluidisation, la hauteur au repos de matériau support granulaire est adaptée à une fluidisation dudit matériau support granulaire. Une telle hauteur est de préférence inférieure à la hauteur de la chambre de fluidisation. Cette hauteur pourra être déterminée par calcul et/ou expérimentations. Typiquement, cette hauteur ne dépasse pas 75%, voire 50% de la hauteur de ladite chambre de fluidisation, ces hauteurs étant mesurées suivant la direction X. Dit autrement, la hauteur maximale de matériau support granulaire peut représenter 75%, voire 50% de la hauteur totale de la chambre de fluidisation. La hauteur minimale au repos de support granulaire sera avantageusement non nulle et pourra être calculée de manière à ce que la quantité de support granulaire soit optimale pour la formation d’un biofilm. Cette hauteur minimale pourra être déterminée par calcul et/ou expérimentations. Typiquement, la hauteur au repos de matériau support granulaire à l’intérieur d’une chambre de fluidisation peut s’étendre sur 10 à 75% de la hauteur de la chambre, notamment sur 10 à 50% de la hauteur de la chambre ou peut être comprise dans toute plage définie par une combinaison de ces limites.
Avantageusement, la hauteur au repos totale de matériau support granulaire correspondant à la somme des hauteurs au repos de matériau support granulaire dans chacune des chambres du collecteur de courant du compartiment à biofilm microbien, pourra être de 10 à 75% de la hauteur totale du collecteur de courant, notamment de 10 à 50% de la hauteur totale du collecteur de courant ou comprise dans toute plage définie par une combinaison de ces limites.
On pourra notamment prévoir des repères visuels sur le collecteur permettant de remplir chacune de ses chambres de matériau support à la hauteur souhaitée ou introduire directement le volume correspondant de matériau support à l’intérieur de chaque chambre ou encore convertir en masse ce volume (en tenant compte de la différence éventuelle entre la masse volumique apparente des granules et la masse réelle du matériau due à l’air présent entre les granules) et peser la masse nécessaire de matériau support à introduire.
Typiquement, le dimensionnement du compartiment à biofilm microbien et du collecteur de courant, notamment lorsque ce dernier occupe la totalité du volume du compartiment, pourra être choisi en fonction du rapport DT/dpavec DTle diamètre du lit fluidisé (ou diamètre équivalent si la section du collecteur de courant n’est pas un disque) et dple diamètre moyen des granules.
On peut par exemple considérer qu’une expansion homogène du lit fluidisé est obtenue pour un ratio supérieur à 12 dans le cas idéal d’un collecteur de courant cylindrique, de granules de matériau support homogènes et sphériques. Le diamètre DTobtenu pour un ratio de 12 correspond ainsi à une valeur minimale de la section du compartiment à biofilm microbien. La valeur maximale de cette section dépend de manière connue de l’homme du métier du débit de l’effluent, de la nature du procédé, du temps de séjour. Typiquement, ce ratio pourra être de 10 à 15, le plus souvent de 12 à 15 afin de limiter les effets de paroi.
Une fois que la section du collecteur de courant est ainsi déterminée, on peut choisir un rapport hauteur/section du collecteur de courant pertinent en fonction du temps de séjour requis pour traiter un effluent donné par un procédé donné, de la quantité de matériau support granulaire, des cinétiques biologiques mises en œuvre. Le choix de la hauteur du collecteur de courant peut aussi être contrainte par la perte de charge et la nécessité de fluidiser les granules dans toutes les chambres de fluidisation. De manière générale, l’homme du métier pourra déterminer les dimensions du compartiment à biofilm microbien par calcul et/ou expérimentations.
Avantageusement, afin de faciliter la fluidisation, la hauteur de chaque chambre de fluidisation mesurée suivant la direction X peut être adaptée pour une fluidisation optimale. Cette hauteur peut notamment être déterminée en fonction de paramètres caractéristiques du matériau support granulaire tels que densité, géométrie et taille des particules du matériau support granulaire et d’au moins un paramètre caractéristique de la circulation du fluide (effluent) à l’intérieur du compartiment à biofilm microbien, tel que sa vitesse superficielle. L’homme du métier pourra déterminer cette hauteur par calcul et/ou expérimentations.
Le matériau support granulaire peut être un matériau conducteur électrique, de manière à présenter des effets capacitifs, tel que du graphite granulaire, du charbon actif granulaire (GAC), du biochar ou de la magnétite ou encore un matériau composite présentant une couche externe conductrice. Un tel matériau composite peut présenter un cœur fait d’une matière très peu dense recouvert d’un revêtement conducteur, ce qui peut permettre d’obtenir un matériau support moins dense que le fluide à traiter.
Alternativement, le matériau support granulaire peut être un matériau non conducteur électrique, par un matériau polymère tel que le polyéthylène. L’effet capacitif repose alors sur celui du biofilm formé.
Le matériau support granulaire peut avantageusement être poreux, de manière à présenter une surface (apparente) importante, pour maximiser les possibilités d’accrochage des microorganismes. On pourra utiliser un matériau support granulaire présentant des pores de diamètre de 1 à 100µm, typiquement de 10 à 100µm. La distribution de la taille des pores pourra être déterminée par volumétrie à l’azote à partir des isothermes d’adsorption enregistrés à 77 K en appliquant les méthodes bien connues de l’homme de l’art (Barett, E. P.; Joyner, L. G.; Halenda, P. P.J. Am. Chem. Soc.1951,73, 373-380). Le choix du matériau support granulaire, et notamment de sa distribution de pores, de son volume de pores et/ou de sa surface spécifique, se fait par essais avec des techniques classiques connues de l’homme du métier et dépend de la nature des microorganismes d’intérêt.
On préfèrera utiliser un matériau support granulaire avec une granulométrie inférieure ou égale à 2 cm, voire à 1 cm, par exemple de 0,2 à 2 mm, notamment égale à 2 mm ou comprise dans toute plage définie par une combinaison de ces limites. La granulométrie est la distribution statistique de la taille des granules. Elle peut être mesurée par tamisage ou par diffraction laser.
La masse volumique du matériau support granulaire pourra être choisie en fonction de la direction de fluidisation, ascendante ou descente, autrement dit en fonction de la différence de masse volumique entre l’effluent à traiter et le matériau support. L’effluent à traiter comprenant le plus souvent 50vol% ou plus d’eau, on pourra considérer, selon les cas, que la masse volumique de l’effluent est égale à celle de l’eau ou proche de celle de l’eau.
Le matériau support granulaire pourra par exemple présenter une masse volumique supérieure à celle de l’eau, notamment supérieure à 1000kg/m3, avantageusement inférieure ou égale à 3000 kg/m3, par exemple de 1100kg/m3à 2500kg/m3ou dans toute plage définie par une combinaison de ces limites. Dans ce cas, le flux de fluide servant à fluidiser le matériau support sera ascendant pour fluidiser les granules. Alternativement, le matériau support granulaire pourra présenter une masse volumique inférieure à celle de l’eau, notamment inférieure à 1000kg/m3, par exemple de 100 à 900 kg/m3ou dans toute plage définie par une combinaison de ces limites. Dans ce cas, Dans ce cas, le flux de fluide servant à fluidiser le matériau support sera descendant pour fluidiser les granules.
La masse volumique du matériau support pourra être mesurée par pesées dans un pycnomètre.
Le réacteur, selon l’invention, peut en outre comprendre des moyens de régulation du pH, de la température, et/ou du niveau d’électrolyte, de préférence, dans chacun des compartiments anodique et cathodique.
Le réacteur selon l’invention pourra comprendre une structure de type multistack, avec une succession (horizontale) d’un compartiment anodique, un premier compartiment intermembranaire, un compartiment cathodique, un deuxième compartiment intermembranaire, étant entendu qu’une extrémité de cette succession est une anode, et l’autre est une cathode.
L’invention concerne également un procédé de traitement d’un effluent liquide mettant en œuvre un réacteur bio-électrochimique selon l’invention dans des conditions permettant de fluidiser le matériau support granulaire présent dans une ou plusieurs chambres du collecteur de courant.
Typiquement, cette fluidisation peut être obtenue par la circulation de l’effluent à traiter éventuellement suppléée par la circulation d’un gaz de fluidisation introduit à cet effet dans le réacteur. Ce gaz de fluidisation peut être un gaz inerte vis-à-vis des réactions bio-électrochimiques en jeu ou participer à ces réactions (par exemple dans le cas d’un compartiment cathodique à biofilm microbien d’un réacteur d’électro-synthèse dans lequel on introduit une source carbonée sous la forme d’un gaz).
Ainsi, dans le procédé selon l’invention, on introduit l’effluent à traiter à l’intérieur de l’au moins un compartiment à biofilm microbien du réacteur bio-électrochimique, et on fait circuler, notamment en continu, l’effluent à traiter à l’intérieur du compartiment à biofilm microbien avec un débit supérieur ou égal à un débit minimal de fluidisation du matériau support granulaire contenu à l’intérieur du collecteur de courant.
Ainsi, lors de sa circulation à l’intérieur de l’au moins un compartiment à biofilm microbien, l’effluent est soumis à une étape de traitement par une réaction bio-électrochimique catalysée par les microorganismes électro-actifs contenus dans l’au moins un compartiment à biofilm microbien et on récupère en sortie de ce dernier un effluent traité ou partiellement traité.
Avantageusement, on pourra prévoir d’introduire un gaz de fluidisation à l’intérieur dudit au moins un compartiment à biofilm microbien en amont d’au moins une chambre de fluidisation, par exemple en aval d’une chambre du collecteur de courant, de préférence d’une chambre située à proximité immédiate de l’au moins une entrée de fluide à traiter à l’intérieur du compartiment.
Avantageusement, on pourra prévoir un recyclage de l’effluent traité ou partiellement traité. On pourra ainsi renvoyer au moins une partie de l’effluent traité ou partiellement traité sortant dudit au moins un compartiment à biofilm microbien à l’intérieur dudit compartiment en amont d’au moins une chambre de fluidisation, optionnellement en aval d’une chambre du collecteur de courant, de préférence d’une chambre située à proximité immédiate de l’au moins une entrée de fluide à traiter à l’intérieur du compartiment. On notera qu’il est possible de recycler tout ou partie de l’effluent traité ou partiellement traité en amont d’une ou plusieurs chambres de fluidisation, et en aval d’une chambre du collecteur, qui fonctionne alors comme une chambre à lit fixe.
On notera que l’effluent à traiter circule alors à l’intérieur du compartiment à biofilm microbien en mélange avec le recyclage d’effluent traité ou partiellement traité avec un débit supérieur ou égal au débit minimal de fluidisation du matériau support granulaire contenu à l’intérieur du collecteur de courant. Ainsi, l’effluent à traiter, éventuellement mélangé avec la partie recyclée de l’effluent traité ou partiellement traité, forme une phase liquide continue qui va fluidiser le matériau support granulaire. Une injection supplémentaire d’un gaz de fluidisation permet de contribuer à la fluidisation du matériau support granulaire.
De manière générale, ce débit minimal peut être déterminé à partir d’une vitesse superficielle minimale de fluidisation du fluide utilisé pour fluidiser le matériau support, à savoir l’effluent à traiter, seul ou en mélange avec la partie recyclée de l’effluent traité ou partiellement traité. Cette vitesse minimale est une vitesse minimale de fluidisation de l’ensemble des particules. Lorsque ces particules présentent des tailles différentes, on recherchera typiquement la fluidisation des plus grandes particules.
Par « vitesse superficielle », on entend la vitesse d’écoulement hypothétique calculée comme si la phase ou le fluide donné était le seul à s’écouler ou à être présent dans une section donnée du compartiment à biofilm microbien. La vitesse superficielle peut être définie comme le rapport du débit volumique de la phase ou du fluide (m3/s) sur la surface de la section du réacteur (m2). On peut ainsi aisément accéder au débit de fluide par la détermination de la vitesse superficielle.
Lorsque le fluide assurant la fluidisation est l’effluent à traiter, seul ou en mélange avec tout ou partie du recycle d’effluent traité ou partiellement traité, la vitesse superficielle minimale de fluidisation du matériau support peut se calculer selon la formule suivante :
Avec :
  • U mf la vitesse minimale de fluidisation
  • µla viscosité du fluide (effluent à traiter, seul ou en mélange avec le recycle)
  • ρ f et ρ p les masses volumiques du fluide et du matériau support respectivement
  • d p le diamètre des granules du matériau support
  • ε f la porosité du lit de granules du matériau support (0,4 pour des granules sphériques)
  • gl’accélération de la pesanteur
  • h K = 4,14et h B = 0,29 les constantes de la loi Ergün
D’autres relations empiriques peuvent être utilisées. À partir de la vitesse superficielle minimale de fluidisation et en connaissant la section du réacteur, on en déduit le débit d’effluent minimal nécessaire à la fluidisation du matériau support.
Lorsque le fluide assurant la fluidisation est l’effluent à traiter, seul ou en mélange avec tout ou partie du recycle d’effluent traité ou partiellement traité, mélangé à un gaz de fluidisation, la vitesse superficielle minimale de fluidisation du matériau support peut être déterminée à partir de corrélations intégrant les vitesses d’injection du gaz de fluidisation, telles que des corrélations tri-phasiques à co-courant (Larachi et al., 2000, Ind. Eng. Chem. Res., 39, 563 – 572) ou à contre courant(Sur et al., 2017, Journal of Environmental Chemical Engineering, 5, 3518- 3528).
Par ailleurs, avantageusement, la vitesse superficielle de circulation du fluide assurant la fluidisation, et par conséquent son débit volumique, sera inférieure à une vitesse d’entraînement des particules correspondant à la vitesse à partir de laquelle les particules de plus petite taille sont entraînées.
En présence d’un gaz de fluidisation, la vitesse superficielle de circulation du fluide assurant la fluidisation, et par conséquent son débit volumique, peut être inférieure à une vitesse dite « vitesse de bullage » correspondant à la vitesse à partir de laquelle le lit fluidisé n’est plus homogène et où des « bulles » ou poches d’effluent vont se former dans le lit granulaire. Il existe des formules empiriques pour estimer cette vitesse. Pour des granules de diamètre important, il est peu probable que cette vitesse soit atteinte.
De manière générale, la direction de circulation du fluide assurant la fluidisation, à savoir l’effluent à traiter seul ou en mélange avec un recyclage, sera choisie en fonction de la masse volumique du matériau support.
Ainsi, la direction X de circulation de l’effluent à traiter à l’intérieur du compartiment anodique étant parallèle à la direction de la gravité, l’effluent à traiter, seul ou mélangé à la partie recyclée de l’effluent traité ou partiellement traité, circule :
- selon un courant ascendant lorsque la densité du matériau support granulaire est supérieure à sa densité, ou
- selon un courant descendant lorsque la densité du matériau support granulaire est inférieure à sa densité .
Lorsqu’un gaz de fluidisation est utilisé pour fluidiser le matériau support, il pourra circuler indifféremment à co-courant ou contre courant de l’effluent à traiter, ce dernier cas pourra par exemple être choisi lorsque la densité du matériau support granulaire est inférieure à la densité de l’effluent à traiter.
Typiquement, le temps de séjour de l’effluent à l’intérieur du compartiment à biofilm microbien est de 1 à 48 heures, par exemple de 6h ou comprise dans toute plage définie par une combinaison de ces valeurs.
L’utilisation d’un recyclage permet en particulier d’ajuster le temps de séjour de l’effluent à traiter à la teneur en pollution à traiter, notamment en fonction du taux d’abattement de DCO souhaité (dans le cas d’un compartiment à biofilm microbien anodique).
Avantageusement, on peut introduire des microorganismes électro-actifs différents dans au moins deux chambres distinctes du collecteur de courant du compartiment à biofilm microbien.
Alternativement ou en combinaison, on peut aussi choisir, dans au moins deux chambres distinctes du collecteur de courant du compartiment à biofilm microbien, un matériau support granulaire spécifique et/ou une vitesse superficielle de l’effluent à traiter spécifique (par exemple pour former un lit fixe ou fluidisé), qui favorise le développement de microorganismes catalysant une réaction électrochimique spécifique. Ceci permet de mettre en œuvre des stratégies d’écologie microbienne différentes permettant une sélection différenciée des microorganismes dans des chambres distinctes du collecteur de courant.
Par exemple, lorsque le collecteur de courant du compartiment à biofilm microbien du réacteur est un compartiment anodique, il peut présenter, d’amont en aval selon la direction de circulation de l’effluent :
- au moins un étage dans lequel on utilise le dioxygène contenu dans l’effluent pour oxyder la DCO contenue dans celui-ci,
- un ou plusieurs étages situés en aval fonctionnant en anaérobiose.
Selon un autre exemple, lorsque le collecteur de courant du compartiment à biofilm microbien du réacteur est un compartiment cathodique (cas d’une pile microbienne), il peut présenter, d’amont en aval selon la direction de circulation de l’effluent :
- au moins un étage de réduction de l’O2,
- au moins un autre étage assurant la dénitrification de l’effluent à traiter.
Selon encore un autre exemple, lorsque le collecteur de courant du compartiment à biofilm microbien du réacteur est un compartiment cathodique (cas d’une réaction d’électrosynthèse), il peut présenter, d’amont en aval selon la direction de circulation de l’effluent des étages correspondant aux différentes étapes de synthèse d’une molécule complexe comme par exemple la synthèse de l’acide caproïque. On peut alors prévoir un étage pour la réduction du CO2en acétate, un étage pour la réduction de l’acétate en éthanol et un étage pour la production de l’acide caproïque par réduction de l’éthanol, de l’acétate et du CO2.
Avantageusement, tel que déjà expliqué, on pourra utiliser des matériaux support granulaires différents dans au moins deux chambres distinctes du collecteur de courant du compartiment à biofilm microbien, en combinaison ou non avec l’introduction de microorganismes électro-actifs différents et/ou avec le choix de matériau support granulaire spécifique et/ou d’une vitesse superficielle de l’effluent à traiter spécifique.
Le réacteur et le procédé selon la présente invention sont utiles pour le traitement, d’effluents comprenant de la matière organique biodégradable, tels qu’un effluent d’eaux usées ou un hydrolysat de déchets organiques. Il peut notamment s’agir de boues ou d’eaux usées de station d’épuration.
Les effluents comprenant de la matière organique biodégradable utilisés dans l’invention sont typiquement: des lisiers, des lixiviats, des hydrolysats de bio-déchets, des boues hydrolysées de stations d’épuration, différentes fractions liquides organiques de stations d’épuration, des eaux usées urbaines après décantation primaire, des effluents industriels organiques, par exemple issus d’industries agro-alimentaires, des digestats de stations d’épuration, ou un mélange de plusieurs de ces effluents.
Ces effluents contiennent typiquement plus de 50vol% d'eau, en général plus de 60vol% d'eau. Dans certains cas, la teneur en eau peut être d'au moins 95 vol%, voire d'au moins 99 vol%, par exemple jusqu'à 99,9 vol%. La teneur en eau peut se situer dans n'importe quelle fourchette définie par les limites précédemment citées. En général, les pourcentages restants sont des solides, tels que des particules, des matières en suspension, des colloïdes, etc.
De préférence, l’effluent est un effluent d’eaux usées, par exemple fractions liquides organiques de stations d’épuration, des eaux usées urbaines notamment après décantation primaire, des effluents industriels organiques (par exemple issus d’industries agro-alimentaires), ou un mélange de ceux-ci.
L’électrolyte du compartiment à biofilm microbien renferme ainsi de tels effluents carbonés organiques sous forme liquide, introduits soit bruts, soit dilués dans un électrolyte de base synthétique. Dans ce compartiment à biofilm microbien la teneur en matières organiques quantifiées par la mesure de la DCO est avantageusement comprise entre 0,01 et 200 g/L, de préférence entre 0,1 et 20 g/L, de préférence encore entre 0,5 et 5 g/L.
La DCO est la mesure de la totalité des substances oxydables, qu’elles soient biodégradables ou non. La DCO peut être mesurée selon la norme NFT 90-101-février 2001 ou ISO 6060-1989.
Le réacteur et le procédé selon l’invention peuvent également être utilisés pour réaliser un traitement de dénitrification d’un effluent du type précité.
Le réacteur et le procédé selon l’invention peuvent être utilisés pour la production par électrosynthèse de déchets organiques, et notamment par électrosynthèse d’un ou plusieurs des effluents précités, de dihydrogène ou de molécules organiques d’intérêt choisies parmi les acides organiques, les alcools, le méthane.
Le réacteur et le procédé selon l’invention permettent un traitement en continu d’un effluent à traiter, adapté à une application industrielle.
DESCRIPTION DES FIGURES
L'invention est maintenant décrite en référence aux dessins annexés, non limitatifs, dans lesquels :
La représente schématiquement un mode de réalisation d’un réacteur bio-électrochimique selon l’invention comprenant un compartiment à biofilm microbien.
La représente schématiquement un autre mode de réalisation d’un compartiment à biofilm microbien d’un réacteur selon l’invention.
La représente schématiquement encore un autre mode de réalisation d’un compartiment à biofilm microbien d’un réacteur selon l’invention.
, Les figures 4A et 4B représentent schématiquement un premier cas de circulation des fluides au travers d’un collecteur de courant, respectivement sans et avec gaz de fluidisation.
, Les figures 5A et 5B représentent schématiquement un deuxième cas de circulation des fluides au travers d’un collecteur de courant, respectivement sans et avec gaz de fluidisation.
La représente un réacteur bio-électrochimique 10 comportant un compartiment anodique 12 et un compartiment cathodique 14 séparés par un séparateur 13.
Dans l’exemple représenté, le compartiment anodique 12 est un compartiment à biofilm microbien tel que défini dans la présente invention. Il comprend ainsi trois entrées 121, 122, 123 pour l’effluent à traiter, ici situées à une extrémité inférieure du compartiment 12 et une sortie 124 de l’effluent à traité située à une extrémité supérieure du compartiment 12. Des moyens 125 de mise en circulation du fluide à l’intérieur du compartiment, tels qu’une pompe, ou autre, permettent la circulation du fluide suivant une direction X entre les entrées 121-123 et la sortie 124. La direction X est ici une direction ascendante verticale, perpendiculaire à la direction Z, ici horizontale, allant du compartiment anodique 12 vers le compartiment cathodique 14. L’invention n’est bien entendu pas limitée par le nombre d’entrées et/ou sortie de l’effluent, ni par la nature des moyens de mise en circulation pourvu que l’effluent à traiter puisse circuler à l’intérieur du compartiment 12.
Le compartiment 12 comprend en outre un collecteur de courant multi-étagé 15 raccordé électriquement à un dispositif 16 qui peut être un composant électrique (par exemple une résistance électrique) pour une utilisation du réacteur comme pile à combustible ou un dispositif d’application d’une tension pour une utilisation du réacteur comme réacteur d’électrolyse ou réacteur d’électrosynthèse.
Le collecteur de courant multi-étagé 15 représenté comprend 5 étages définissant chacun une chambre 151-155 contenant un matériau support granulaire 17. Le collecteur de courant multi-étagé 15 est par exemple formé à partir d’un grillage en matériau conducteur, par exemple en acier inoxydable. Le collecteur 15 est avantageusement amovible pour faciliter le remplissage des chambres. On pourra prévoir à cet effet une ouverture de remplissage de chaque chambre qui peut être fermée par une porte ou réaliser une structure modulaire dans laquelle chaque chambre définit un contenant amovible, par exemple en forme de panier, qui peut être inséré/extrait d’une structure de support, l’ensemble de la structure de support et des contenants amovibles étant en matériau conducteur et reliés électriquement pour former le collecteur de courant. Bien entendu, l’invention n’est pas limitée par la forme du collecteur de courant, pourvu que ce dernier soit un conducteur électrique et qu’il laisse passer l’effluent à traiter tout en retenant le matériau support granulaire 17.
Chaque chambre 151-155 présente une hauteur HCet reçoit le matériau support granulaire 17 sur une hauteur HL, au repos, c’est-à-dire en l’absence de circulation de fluide à l’intérieur du compartiment. Ces hauteurs sont mesurées parallèlement à la direction X. Cette hauteur HL, au repos correspond par exemple à la moitié de la hauteur HCpour faciliter la fluidisation du matériau support à l’intérieur des chambres.
Dans l’exemple représenté, le collecteur de courant 15 s’étend sur toute la hauteur H du compartiment 12 dont il épouse la forme : son volume interne est donc sensiblement identique au volume interne du compartiment 12, limitant ainsi les volumes morts. Dans l’exemple, les chambres 151-155 sont sensiblement de même hauteur, l’invention n’est cependant pas limitée à des dimensions particulières des chambres, lesquelles pourront présenter des dimensions différentes, notamment pour recevoir des hauteurs différentes de matériau support.
Dans l’exemple représenté, le compartiment cathodique 14 comporte une électrode 18 plongée dans un électrolyte circulant à l’intérieur du compartiment entre une entrée 141 et une sortie 142, l’électrode 18 étant reliée électriquement au dispositif 16. En outre, le séparateur 13 se présente ici sous la forme d’un compartiment inter-membranaire défini par des parois échangeuses d’ion 131 et 132. Typiquement, l’une des membranes 131, 132 est une membrane échangeuse de cations et l’autre une membrane échangeuse d’anions. Un dispositif de soutirage comprenant par exemple une sortie 133 relié à une pompe ou autre (non représenté) peut être prévu tel que représenté.
L’invention n’est pas limitée par la nature du compartiment cathodique, lequel peut être une bio-cathode comprenant un électrolyte contenant des microorganismes électro-actifs présentant une structure identique à celle du compartiment anodique ou une structure similaire à celles existantes (électrode granulaire à lit fixe, à brosses, à plaques, etc.).
L’invention n’est pas limitée non plus par forme du séparateur 13 pourvu que ce dernier soit perméable aux ions devant circuler entre la cathode et l’anode.
Dans le cas où le matériau support granulaire 17 est plus dense que l’effluent, lors du fonctionnement du réacteur 10, la circulation de l’effluent au travers des étages du collecteur de courant 15 suivant la direction X ascendante permet de fluidiser le matériau granulaire de chacune des chambres 151-155 : ce dernier va ainsi être réparti de manière relativement homogène à l’intérieur de chaque chambre, ici sur toute la hauteur du compartiment 12, permettant le développement d’un biofilm sur la plupart des granules du matériau support 17. En outre, du fait du brassage des granules à l’intérieur de chaque chambre du fait de la fluidisation, ces granules viennent régulièrement en contact avec le collecteur de courant permettant ainsi de se décharger. On comprend ainsi que la surface active de la bio-électrode est élevée et que l’on peut améliorer la récupération des charges portées par les granules du fait de la fréquence de contact relativement élevée des granules avec le collecteur de courant.
La représente un compartiment à biofilm microbien 212 similaire à celui décrit en référence à la mais comprenant un circuit de recyclage. Le compartiment 212 comprend un collecteur de courant multi-étagé comprenant ici trois étages E1 à E3 définissant chacun une chambre destinée à recevoir le matériau support (non représenté).
L’effluent entre dans le compartiment 212 par une entrée 221 située à son extrémité inférieure. L’effluent traité sort par une sortie 224 située à l’extrémité supérieure du compartiment 212. Un circuit de recyclage 230 est en outre prévu entre une deuxième sortie 231 située également du côté de l’extrémité supérieure du compartiment 212 et une deuxième entrée 232 située en amont du collecteur de courant, autrement dit en amont du premier étage E1 par rapport à la circulation de l’effluent à l’intérieur du compartiment, ici selon un courant ascendant (voir direction X sur les figures). Un moyen de mise en circulation 233 (pompe, …) assure la circulation de l’effluent traité dans le circuit de recyclage 230. Ainsi, en fonctionnement, tout ou partie de l’effluent circulant à l’intérieur du compartiment 212 est recyclé via le circuit de recyclage en amont de la première chambre du collecteur de courant (chambre la plus proche de l’entrée d’effluent à traiter), permettant la fluidisation du matériau support au niveau de chacun des étages E1-E3.
La représente un compartiment à biofilm microbien équipé d’un autre système de recyclage. Le compartiment 312 comprend un collecteur de courant multi-étagé comprenant ici quatre étages E1 à E4 définissant chacun une chambre destinée à recevoir le matériau support (non représenté).
L’effluent entre dans le compartiment 312 par une entrée 321 située à son extrémité inférieure. L’effluent circule ainsi également selon un courant ascendant à l’intérieur du compartiment (voir direction X sur les figures). L’effluent traité sort par une sortie 324 située à l’extrémité supérieure du compartiment 312. Un circuit de recyclage 330 relie une deuxième sortie 331 située également du côté de l’extrémité supérieure du compartiment 312 et une deuxième entrée 334 située entre le premier étage E1 et le deuxième étage E2 du collecteur de courant. Un moyen de mise en circulation 333 (pompe, …) assure la circulation de l’effluent traité dans le circuit de recyclage 330. Ainsi, en fonctionnement, tout ou partie de l’effluent circulant à l’intérieur du compartiment 312 est recyclé via le circuit de recyclage en aval de la première chambre du collecteur de courant (chambre la plus proche de l’entrée d’effluent à traiter), permettant la fluidisation du matériau support au niveau de chacun des étages situés en aval, à savoir les étages E2 à E4, alors que le matériau support du premier étage fonctionne comme un lit fixe. Le circuit de recycle 330 peut également être relié à une autre entrée 332 située en amont du premier étage E1 de sorte que selon les besoins, le recycle peut permettre la fluidisation du matériau support à tous les étages, comme dans le mode de réalisation décrit en référence à la .
Dans les exemples représentés sur les figures 1 à 3, la fluidisation du matériau support est obtenue par la circulation de l’effluent, cette fluidisation peut également être favorisée par injection d’un gaz de fluidisation.
Les figures 4A, 4B, 5A, 5B illustrent schématiquement les circulations possibles des fluides à l’intérieur de compartiments à biofilm microbien selon l’invention selon différents cas. Chacune de ces figures représente schématiquement un collecteur de courant multi-étagé 415, 515, 615, 715 à deux étages E1, E2, ainsi que les circulations de fluide au travers de ce collecteur de courant. Chaque étage comporte une chambre contenant du matériau support 17.
Le cas représenté correspond à un cas sans gaz de fluidisation, dans lequel la densité du matériau support 17 est supérieure à la densité de l’effluent. L’effluent circule alors au travers du collecteur de courant 415 selon un courant ascendant entre une entrée 421 du compartiment et une sortie 424. Un circuit de recyclage 430 similaire à celui décrit en référence à la peut être prévu ou non.
Le cas représenté correspond à un cas avec gaz de fluidisation, dans lequel la densité du matériau support 17 est supérieure à la densité apparente du mélange effluent-gaz de fluidisation. L’effluent circule alors également au travers du collecteur de courant 515 selon un courant ascendant entre une entrée 521 du compartiment et une sortie 524, de même que le gaz de fluidisation qui circule entrée inférieure 541 et une sorte 542. Un circuit de recyclage 530 similaire à celui décrit en référence à la peut être prévu ou non.
Le cas représenté correspond à un cas sans gaz de fluidisation, dans lequel la densité du matériau support 17 est inférieure à la densité de l’effluent. L’effluent circule alors au travers du collecteur de courant 615 selon un courant descendant entre une entrée 621 supérieure du compartiment et une sortie inférieure 624. Un circuit de recyclage 630 peut être prévu ou non tel que représenté.
Le cas représenté correspond à un cas avec gaz de fluidisation, dans lequel la densité du matériau support 17 est inférieure à la densité apparente du mélange effluent-gaz de fluidisation. L’effluent circule alors également au travers du collecteur de courant 715 selon un courant descendant entre une entrée supérieure 721 du compartiment et une sortie inférieure 724. Par contre, le gaz de fluidisation circule selon un courant ascendant entre une entrée inférieure 741 et une sortie supérieure 742. Un circuit de recyclage 730 peut être prévu ou non.

Claims (15)

  1. Réacteur bio-électrochimique de traitement d’un effluent liquide, comprenant au moins un compartiment anodique et au moins un compartiment cathodique, optionnellement au moins un séparateur situé entre l’au moins un compartiment anodique et l’au moins un compartiment cathodique,caractérisé en cequ’au moins un des compartiments anodique et cathodique est un compartiment à biofilm microbien comportant :
    - au moins une entrée de fluide située à une extrémité du compartiment,
    - au moins une sortie de fluide située à une extrémité opposée du compartiment
    - des moyens de mise en circulation du fluide à l’intérieur du compartiment entre l’au moins une entrée et l’au moins une sortie suivant une direction X,
    - un électrolyte comprenant des microorganismes électro-actifs,
    - un matériau support granulaire biocompatible,
    - un collecteur de courant multi-étagé situé entre l’au moins une entrée et l’au moins une sortie de fluide dudit compartiment à biofilm microbien, ledit collecteur comprenant au moins deux étages définissant chacun une chambre faisant office de contenant pour le matériau support granulaire et laissant passer le fluide,
    et en ce que,
    la direction X de circulation du fluide à l’intérieur du compartiment est non parallèle, et de préférence orthogonale, à une direction Z allant du compartiment anodique vers le compartiment cathodique, et,
    à l’intérieur d’au moins une chambre du collecteur de courant dite chambre de fluidisation, une hauteur au repos de matériau support granulaire mesurée suivant la direction X en l’absence de circulation de fluide à l’intérieur du compartiment à biofilm microbien, est adaptée à une fluidisation dudit matériau support granulaire.
  2. Réacteur bio-électrochimique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le compartiment anodique est un compartiment à biofilm microbien, et, optionnellement, le compartiment cathodique est un compartiment à biofilm microbien.
  3. Réacteur bio-électrochimique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit réacteur est un réacteur d’électrolyse ou un réacteur d’électrosynthèse microbienne comprenant des moyens d’application d’une différence de potentiel entre le collecteur de courant du compartiment à biofilm microbien et l’électrode de l’autre compartiment.
  4. Réacteur bio-électrochimique selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le séparateur comprend une membrane échangeuse de cations et une membrane échangeuse d’anions séparées l’une de l’autre par un compartiment inter-membranaire comprenant un dispositif de soutirage de molécules synthétisées au sein dudit réacteur, les membranes étant optionnellement positionnées de sorte que le compartiment anodique est séparé du compartiment cathodique par, en allant du compartiment anodique vers le compartiment cathodique, ladite membrane échangeuse de cations et ladite membrane échangeuse d’anions.
  5. Réacteur bio-électrochimique selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’au moins un compartiment à biofilm microbien comporte au moins un circuit de recyclage reliant l’au moins une sortie à l’au moins une entrée de fluide ou reliant l’au moins une sortie à au moins une entrée de recyclage débouchant dans l’une des chambres ou en amont de l’une des chambres par rapport à la circulation du fluide.
  6. Réacteur bio-électrochimique selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte au moins une des caractéristiques suivantes :
    - le collecteur de courant présente une structure présentant une multitude d’orifices ne laissant pas passer le matériau particulaire formée à partir d’une plaque perforée, d’un tissu ou d’un grillage,
    - le collecteur de courant s’étend sur 90 à 100% de la hauteur du compartiment à biofilm microbien, cette hauteur étant définie comme la distance séparant l’au moins une entrée de l’au moins une sortie du compartiment suivant la direction X.
  7. Réacteur bio-électrochimique selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la hauteur de chaque chambre de fluidisation mesurée suivant la direction X est déterminée en fonction de paramètres caractéristiques du matériau support granulaire tels que densité, géométrie et taille des particules du matériau support granulaire et d’au moins un paramètre caractéristique de la circulation de l’effluent à l’intérieur du compartiment à biofilm microbien, tel que sa vitesse superficielle.
  8. Réacteur bio-électrochimique selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau support granulaire est choisi parmi un matériau polymère, du graphite granulaire, du charbon actif granulaire, du biochar, de la magnétite, un matériau composite présentant une couche externe conductrice.
  9. Réacteur bio-électrochimique selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau support granulaire présente une granulométrie inférieure ou égale à 2 cm.
  10. Procédé de traitement d’un effluent liquide mettant en œuvre un réacteur bio-électrochimique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel :
    on introduit l’effluent à traiter à l’intérieur de l’au moins un compartiment à biofilm microbien du réacteur bio-électrochimique et on fait circuler l’effluent à traiter à l’intérieur du compartiment à biofilm microbien avec un débit supérieur ou égal à un débit minimal de fluidisation du matériau support granulaire contenu à l’intérieur du collecteur de courant.
  11. Procédé de traitement d’un effluent liquide selon la revendication 10, dans lequel on renvoie au moins une partie de l’effluent sortant dudit au moins un compartiment à biofilm microbien à l’intérieur dudit compartiment en amont d’au moins une chambre de fluidisation, optionnellement en aval d’une chambre du collecteur de courant.
  12. Procédé de traitement d’un effluent liquide selon la revendication 10 ou 11, dans lequel la direction X de circulation de l’effluent à traiter à l’intérieur du compartiment anodique est parallèle à la direction de la gravité et l’effluent à traiter, seul ou mélangé à la partie recyclée de l’effluent, circule
    - selon un courant ascendant lorsque la densité du matériau support granulaire est supérieure à sa densité, ou
    - selon un courant descendant lorsque la densité du matériau support granulaire est inférieure à sa densité .
  13. Procédé de traitement d’un effluent liquide selon l’une quelconque des revendications 10 à 12, comprenant, dans au moins deux chambres distinctes du collecteur de courant du compartiment à biofilm microbien, au moins une des caractéristiques suivantes :
    - on introduit des microorganismes électro-actifs différents,
    - on choisit un matériau support granulaire spécifique et/ou une vitesse superficielle de l’effluent à traiter spécifique qui favorise le développement de microorganismes catalysant une réaction électrochimique spécifique,
    - on utilise des matériaux support granulaires différents.
  14. Procédé de traitement selon l’une quelconque des revendications 10 à 13, dans lequel l’effluent à traiter est choisi parmi des lisiers, des lixiviats, des hydrolysats de bio-déchets, des boues hydrolysées de stations d’épuration, différentes fractions liquides organiques de stations d’épuration, des eaux usées urbaines après décantation primaire, des effluents industriels organiques, des effluents d’industries agro-alimentaires, des digestats de stations d’épuration, ou un mélange de plusieurs de ceux-ci.
  15. Utilisation du réacteur selon l’une quelconque des revendications 1 à 9 pour produire par électrosynthèse de déchets organiques du dihydrogène ou des molécules organiques d’intérêt choisies parmi les acides organiques, les alcools, le méthane.
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