184 Figure 54 : Effet de filtration ou non de l'effluent lors de la transplantation d'un biofilm primaire EA. 196 Figure 61 : Evolution du pH et de la DCO de l'eau de sortie du méthaniseur stockée à 4°C pendant un mois.
Contexte scientifique
Introduction
- Besoin énergétique
- Energies alternatives
- Piles à combustible classiques (PAC)
La production d'énergie est ainsi devenue un indicateur de progrès au niveau national (Mohan et al. 2008). Afin de réduire l’impact de la consommation des ressources énergétiques fossiles sur notre planète, le recours aux ressources renouvelables a repris.
Les biofilms
- Définition
- Formation des biofilms
- Problèmes liés aux biofilms
- Rôles positifs des biofilms
- Les biofilms électro-actifs (EA)
Les bactéries présentes dans les biofilms (bactéries sessiles) développent des caractéristiques différentes de celles de leurs homologues libres ou flottantes (bactéries planctoniques) (Donlan et Costeron 2002). Dans la nature, les biofilms apportent une contribution essentielle au recyclage des nutriments présents dans le sol.
Les piles à combustible microbiennes (PACMs)
- Historique (Schroder 2007; Davis et Higson 2007)
- Principe de fonctionnement des PACMs
- Les bioanodes
- Mécanismes de transfert d’électrons vers l’anode (Lovley 2006a; Schroder 2007)
A la surface de la cathode, les électrons et les protons se combinent avec l’oxygène pour former de l’eau. Les électrons sont transférés à la surface de l'anode puis circulent à travers le matériau conducteur jusqu'à la cathode via le circuit électrique externe.
3.3.1.1. Oxydation abiotique de composés issus du métabolisme bactérien
La réaction d'oxydation à la surface de l'anode est abiotique et nécessite donc la présence d'un catalyseur minéral tel que le platine. Les bactéries sulfato-réductrices, que l'on trouve couramment dans les sédiments, réduisent le sulfate en sulfure qui s'oxyde de manière abiotique en soufre SO à l'anode (Schroder 2007 ; Rabaey et al.
3.3.1.2. Transfert électronique par médiateurs
Si les potentiels redox sont suffisamment élevés, les produits de l'oxydation des sulfures peuvent être des sulfites S2 ou des sulfates (Shukla et al. Zhao et al. 2009) qui ne libèrent que deux électrons (équation 5) sur les 8 qui seront nécessaires pour répéter l'opération. cycle (équations 6 et 7), soit une perte de six électrons.
3.3.1.2.1. Médiateurs redox artificiels (médiateurs exogènes)
L'oxydation du sulfure en soufre S0, qui serait prédominante au niveau des électrodes (Schroder 2007 ; Rabaey et al. 2006 ; Ryckelynck et al. 2005 ; ce mode de transfert via des médiateurs artificiels (Figure 6) présente de nombreux inconvénients qui signifient que les travaux dans ce domaine, hormis quelques recherches fondamentales, ont cessé aujourd'hui.
3.3.1.2.2. Bactéries qui produisent leurs propres médiateurs (médiateurs endogènes)
3.3.1.3. Transfert électronique direct
- Constitution des biofilms électro-actifs: cultures pures ou communautés mixtes
- Les cathodes abiotiques (He et Angenent 2006; Du et al. 2007; Watanabe 2008)
- Les biocathodes (He et Angenent 2006)
- Biocathodes en milieux aérobies (Lovley 2006a; He et Angenent 2006; Schamphelaire
- Biocathodes en milieux anaérobies
- Les constituants d’une PACM
- Les matériaux d’anode
- Les matériaux de cathode
- Le séparateur, la membrane échangeuse d’ions
- Les substrats
- Différentes architectures de PACMs
- PACMs à deux compartiments
- PACMs à un compartiment
Lorsqu'une électrode est imprégnée de Fe(III), elle est réduite en Fe(II) par les électrons issus de la réaction anodique, le Fe(II) est ensuite réoxydé en Fe(III) par l'oxygène (Heijne et al. Matériaux d'électrode utilisé à l’anode doit être biocompatible et chimiquement stable dans l’électrolyte (Logan et al. 2006).
3.7.2.1. Systèmes de PACM à un compartiment avec membrane
Enfin, une grande profondeur d'électrode de part et d'autre de la membrane ne sera probablement pas utile compte tenu de la faible conductivité de l'effluent. D’une part, le coût de la cathode peut être élevé, d’autre part, on sait qu’en extrapolant un procédé à grande échelle, on peut perdre en performances. Les schémas B et B' proposés par Liu et al en 2004 incluent un compartiment cylindrique en plexiglas contenant huit tiges de graphite qui agissent comme une anode de forme concentrique autour de la cathode au centre du cylindre.
3.7.2.2. Systèmes de PACM à un compartiment sans membrane
- Piles à combustible en série ou en parallèle
- Pilotes de PACMs
- Grandeurs caractéristiques des PACMs
- Caractéristiques thermodynamiques (Logan et Regan 2006a)
- Différentes surtensions (Logan et Regan 2006a; Lee et al. 2008)
D'après l'équation 11, la force électromotrice de la cellule dépend du potentiel anodique et cathodique. Le potentiel apparent de l'anode par rapport à l'électrode étalon à hydrogène (ESH) est donné par l'équation 18. A une température de 298 K, avec n = 8 électrons libérés par l'oxydation de l'acétate et un potentiel étalon E0anode.
3.10.2.1. Surtension d’activation
Les pertes opérationnelles sont causées par trois causes principales identifiées sur la courbe de polarisation d'une batterie en état de marche (Oh et al. 2009) (Figure 18).
3.10.2.2. Chutes ohmiques
Valeurs calculées pour une distance de 1 cm entre l'anode et la cathode, en fonction de la conductivité du flux et à différentes densités de courant et 50 A/m2 de surface d'anode) (Rozendal et al. 2008b). Lorsque cela est possible, la conductivité de la solution doit être augmentée jusqu'à la valeur maximale tolérée par les bactéries. Les contacts électriques, en particulier lorsque des matériaux sous vide poussé sont utilisés comme électrodes, peuvent également provoquer des chutes ohmiques importantes.
3.10.2.3. Surtension de concentration
3.10.2.4. Cas des PACMs
- Méthodes de caractérisation des PACMs
- La puissance
- Les courbes de polarisation
- Le rendement faradique
- La relation entre le potentiel d’anode et le métabolisme microbien (Schroder 2007;
- Applications
- La production d’hydrogène
- Le traitement d’effluents
- La biorémédiation (Cunningham et al. 2003; Logan et Regan 2006a; Lovley 2006a) . 86
- PACM et effluents papetiers
Cette énergie est donc fonction de la nature du substrat mais aussi du potentiel de l'anode. Actuellement, les méthodes les plus utilisées concernent le traitement des matières organiques dissoutes présentes dans les effluents industriels, domestiques ou agricoles. L’une des méthodes permettant d’évaluer l’efficacité d’un procédé de traitement des eaux usées consiste à mesurer la réduction de DCO obtenue.
Matériels et méthodes
Echantillons industriels et milieu synthétique
- Effluents et biofilms du site N°1
- Effluents et biofilms du site N°2
- L’effluent sortie méthaniseur
- Les rejets de la station d’épuration
- Effluents et biofilms du site N°3
- L’échantillon «Effluent machine à papier» (MaP)
- L’échantillon «Effluent entrée biologique» (E B)
- L’échantillon «Effluent sortie de station d’épuration» (STEP)
- Milieu de culture synthétique pour les bactéries anaérobies
Échantillon de « Rejets de station d'épuration » constitué d'effluents et de biofilm obtenus à la sortie du bassin d'aération (clarificateur). Eau sous le capot de la machine à papier + biofilm prélevé sur les nettoyeurs des STEP. Lieu n° 3 Sortie des effluents ÉTAPE Effluents et biofilms collectés au niveau du trop-plein du clarificateur.
Méthodologie de formation des bioanodes sous potentiel imposé
- Montage expérimental en système 3 électrodes
- Les réacteurs
- Electrodes et prétraitements
- Sélection et repiquage des biofilms anodiques
- Techniques électrochimiques
- Chronoampérométrie (C A)
- Voltammétrie Cyclique (V C)
- Modes d’alimentation
- Alimentation batch
- Alimentation batch séquentielle
- Alimentation continue
Lors des tests d’optimisation des bioanodes, le réacteur ne contient que des eaux usées industrielles, qui jouent le rôle de substrat et d’inoculum. Des quantités exactes d'eaux usées sont remplacées périodiquement en fonction du temps de séjour souhaité dans le réacteur. Le temps de rétention hydraulique (HRT) ou temps de séjour des eaux usées dans le réacteur est déterminé par la mesure du volume de sortie.
Expérimentation en piles semi-microbiennes
- Cathode à air
- Première version du prototype de pile semi-microbienne
- Deuxième version du prototype de pile semi-microbienne
- Caractérisation des piles semi-microbiennes: courbes de puissance
- Première version du prototype
- Deuxième version du prototype
Pour la première version du prototype, le montage est fait de telle sorte que la différence de potentiel (ddp) de la batterie et le potentiel anodique puissent être récupérés pour chaque valeur de la résistance externe. Toutes ces valeurs permettent d'évaluer la contribution individuelle des deux électrodes à la puissance de la batterie. Dans cette version du prototype, censée être optimisée, la réduction de la distance entre les électrodes nécessitait le retrait de l'électrode de référence.
Caractérisation des effluents et des biofilms
- La Demande Chimique en Oxygène (DCO)
- La Demande Biologique en Oxygène (DBO 5 )
- Les Acides Gras Volatiles (AGV)
- Carbone inorganique, carbone total, dureté de l’effluent
- Techniques microscopiques
- Microscopie à épifluorescence
- Microscopie Electronique à Balayage (MEB)
- Méthodes microbiologiques
- La méthode DGGE (Denaturing Gradient Gel Electrophoresis)
- Mesure de la flore totale
Sa mesure consiste en le traitement préalable de l'échantillon à analyser par dilution avec différentes quantités d'eau enrichie en oxygène dissous, plus l'implantation de micro-organismes aérobies, avec suppression de la nitrification. C1 : concentration d'oxygène dissous dans l'effluent au moment initial (mg/L) C2 : concentration d'oxygène dissous dans l'effluent après 5 jours (mg/L). C3 : concentration d'oxygène dissous dans la solution à blanc au moment initial (mg/L) C4 : concentration d'oxygène dissous dans la solution à blanc après 5 jours (mg/L) Ve : Volume de l'échantillon utilisé pour préparer la solution test ( ml).
Détection et sélection de biofilms anodiques dans les
Approche expérimentale
- Etat de l’art
- Choix du potentiel imposé pour former une bioanode
Du côté anodique, en présence d'acétate, Dumas et al. 2008) a étudié son activité sur deux matériaux. Des paramètres spécifiques affectant le fonctionnement des biofilms ont été évalués à l'aide de l'exemple du pH (Patil et al. 2011b). Les bactéries EA ne peuvent pas profiter du potentiel trop élevé au-dessus du potentiel redox de leurs protéines finales (Sun et al. 2012).
Résultats
- Conditions opératoires
- Etude des échantillons d’une lagune aérobie du Site N°1
- Référencement des biofilms formés à partir des échantillonsde lagune
- Article N°1
- Commentaires sur l’article N°1
- Résultats complémentaires non présentés dans l’article N°1
- Etude des échantillons issus d’un méthaniseur du Site N°2
- Formation du biofilm primaire
- Formation des biofilms secondaires
- Etude des échantillons du Site N°3
- Echantillons du site N°3 collectés sur la machine à papier et en entrée du traitement
CV measurements began at the polarization potential of the CA to limit any electrochemical perturbation on the biofilms. Non-turnover cyclic voltammetry curves were recorded at the end of the experiments (Figure 3A and 3B). Lowering the potential (tertiary biofilm) revealed a remarkable stability of the anode: changing the applied potential from +0.4 V to -0.2 V/SCE had no significant effect on the current.
2.4.1.1. Référencement des biofilms formés et repiqués
Des expériences similaires à celles présentées avec les échantillons du méthaniseur ont été réalisées avec des effluents de rejets de stations d'épuration enrichis en biofilm naturel provenant de la station d'épuration du même site. Nous commençons par présenter les résultats des échantillons « machine à papier » et « apport biologique », car certains biofilms obtenus à partir de ces échantillons ont été utilisés pour produire l'item #2. Échantillons du site #3 prélevés à la machine à papier et à l'entrée de traitement biologique du traitement biologique.
2.4.1.2. Article N°2
The applied potential was reduced from -0.2 V/SCE for the formation of primary biofilms to -0.4 V/SCE for tertiary biofilms. Electrochemical reactions globally contributed to a slight acidification of the medium (1 proton produced for 8 electrons). Secondary biofilms showed marked modifications of microbial populations relative to primary ones.
2.4.1.3. Commentaires sur l’article N°2
Selection of a variant of Geobacter sulfurreducens with improved capacity for current generation in microbial fuel cells. Improved performance of air-cathode two-chamber microbial fuel cells with a high-pH anode and a low-pH cathode.
2.4.1.4. Résultats complémentaires non présentés dans l’article N°2
- Echantillons du site N°3 prélevés en sortie de la station d’épuration
Pour évaluer l'effet de la nature de l'inoculum sur la formation du biofilm EA, deux sources d'inoculum très similaires ont été comparées. L'effluent de la machine à papier a été complété par deux biofilms collectés à deux endroits différents de l'équipement : l'un des biofilms a été récupéré au niveau de la clarification de la station de traitement (STEP), l'autre a été récupéré au niveau du bouchage de la machine à papier (MaP) ( Figure 41). Avec cette expérience, nous observons que les mêmes eaux usées enrichies de 2 biofilms naturels prélevés à des endroits différents sur un site papetier produisent des biofilms EA avec des efficacités très différentes.
2.4.2.1. Référencement des biofilms formés et repiqués
2.4.2.2. Formation des biofilms électro-actifs primaires
2.4.2.3. Repiquages du biofilm primaire formé à -0,2V
Les VC réalisés au début de l'expérience (jour 0) n'ont montré aucun courant à -0,3 V (courbes non représentées). Une voltammétrie cyclique a été réalisée au jour 7 (VC catalytique), au jour 8 (à la fin du pic de courant) et au jour 17 (à la fin de l'expérience). Les performances du biofilm tertiaire restent comparables à celles observées avec le biofilm secondaire au potentiel imposé de –0,3 V sous barbotage de N2 (Jmax entre 8 et 9 A/m², Rf entre 60 et 70 %).
2.4.2.5. Evolution de la composition des biofilms au cours des repiquages
- Discussion générale des différents résultats issus des 3 sites
Ainsi, nous espérions optimiser les performances des biofilms EA en augmentant la diversité microbienne de l’inoculum. Les densités de courant augmentent dans le cas des effluents d'apport biologique, mais les rendements faradiques restent inchangés. Dans le cas d'effluents d'entrée biologiques, tous les réacteurs sont dilués jusqu'à 50% avec le milieu synthétique.
Optimisation des performances des biofilms
Effet du matériau et de la surface des électrodes
Ces graphiques montrent que l'ordre d'efficacité des matériaux dépend de la nature de l'effluent. Le treillis de carbone semble être le meilleur matériau à utiliser pour le flux du méthaniseur, tandis que le tissu de carbone serait meilleur pour le flux d'entrée biologique. Cependant, le courant observé avec le tissu de carbone dans l'influent biologique pour une concentration en acétate de 5 mM est inexplicablement élevé alors qu'il diminue pour tous les autres matériaux.
Confirmation du choix du potentiel imposé
Malgré les meilleures performances obtenues aux potentiels de −0,1 V et −0,2 V, nous avons décidé de valider le potentiel de −0,3 V pour la formation de biofilms destinés aux appareils PACM dotés de ces prises. Cependant, des performances acceptables, proches des valeurs optimales, ont été observées à un potentiel de -0,3 V. Le choix d'un potentiel de -0,3 V permet la formation de biofilms EA capables de fonctionner de manière presque optimale à de faibles potentiels et donc générer probablement la puissance maximale de la batterie.
Effet de la filtration de l’effluent à 0,2 µm
La filtration des effluents a été nécessaire lors des expérimentations du chapitre précédent car nous souhaitions étudier l'évolution des populations microbiennes par la DGGE au cours de repiquages successifs visant à sélectionner et enrichir les biofilms EA. Ces derniers résultats montrent que l'effluent non filtré permet également d'obtenir de bonnes performances lors des tests de transplantation. La filtration lors de la transplantation sera donc abandonnée pour simplifier la procédure, ce qui est favorable au développement de procédés industriels pour lesquels la filtration des effluents constituerait une limitation inacceptable.
Effet de la composition du milieu et de la quantité de milieu
Rf = 75%), on peut conclure que la dilution des effluents issus du milieu synthétique ne semble pas jouer un rôle important. En effet, on peut craindre deux effets antagonistes : un effet positif dû à l'ajout de minéraux essentiels à la croissance des bactéries dans l'effluent et un effet négatif dû à la diminution de la concentration en substrats organiques lorsque le volume de la solution synthétique augmente. . . Nous envisagerons une autre façon d’étudier l’effet de l’ajout de minéraux sans réduire la concentration de substrats organiques (DCO) disponibles pour les bactéries.
Effet de l’enrichissement de l’inoculum
Cette expérience permet de conclure qu'il n'est pas nécessaire d'ajouter des granulés de méthaniseur dans les réacteurs, car on n'observe aucun impact de cet ajout sur le développement et l'activité du biofilm EA.
Mise en conditions anaérobie par barbotage gazeux
- Effets comparés du barbotage d’azote et de l’agitation
- Effets comparés des barbotages N 2 et N 2 /CO 2
Dans le cas de l'effluent du méthaniseur, l'évolution du pH et de la DCO est étudiée avec les eaux usées brutes sous barbotage continu d'azote (courbes bleues), l'effluent dilué à 60% avec un milieu synthétique simplifié8 sous barbotage continu d'azote (courbes rouges) et mécanique. en remuant (courbes noires) . Ces résultats suggèrent que l'augmentation du pH dans les réacteurs est due à l'effet de l'agitation, qui favorise l'élimination du CO2 produit par la décomposition de l'acétate. L'augmentation du pH et la diminution de la DCO de l'effluent sont donc observées même en l'absence de polarisation.
Essais de polarisation retardée pour la formation de biofilms EA
La stérilisation des effluents par filtration à 0,2 µm n'est pas nécessaire et peut même nuire aux performances des biofilms anodiques. La supplémentation des effluents avec un milieu synthétique n'améliore pas les performances des biofilms anodiques, quel que soit l'apport en nutriments (N et P). Ces résultats élevés sont cependant obtenus en complétant les effluents industriels avec de l'acétate.
Optimisation des bioanodes en conditions
Expériences réalisées en alimentation continue
- Effluent sortie méthaniseur
- Vérification des conditions de stockage des effluents
- Formation des biofilms EA en présence d’acétate
- Formation de biofilms EA avec l’effluent brut
1.1.3.1. Voltammétries cycliques à différents stades du développement du biofilm
1.1.3.2. Voltammétries cycliques à différentes vitesses de balayage
- Suivi de l’abattement de DCO de l’effluent brut et du rendement faradique
- Effet du temps de rétention hydraulique (TRH) à flux de DCO variable
- Effet du temps de rétention hydraulique (TRH) à flux de DCO constant
- Effet de la concentration de l’effluent
- Caractérisations microbiologiques (DGGE)
- Effluent entrée biologique
- Formation d’un biofilm EA avec l’effluent brut
- Effet du flux de DCO sur les performances du biofilm EA
- Alimentation en batch séquentielle
- Polarisation retardée des électrodes - effet du barbotage de N 2
- Contrôle du pH par barbotages de N 2 ou CO 2
- Etude de l’effet des nutriments
Conception et évaluation de piles microbiennes dans
Première version du prototype
- Conditions expérimentales
- Effluent sortie méthaniseur (SM)
- Comparaison deu mode d’alimentation (batch vs continue)
- Etude de différentes cathodes à air
- Effet de l’ajout des nutriments dans l’effluent
- Effluent entrée biologique (EB)
- Formation du biofilm EA
- Caractérisation du biofilm en pile
Deuxième version du prototype
- Configuration du prototype pour la formation des biofilms EA
- Configuration du prototype pour le fonctionnement en pile
- Etude de différentes membranes
- Formation des biofilms EA
- Caractérisations des piles avec différentes membranes
- Effet du barbotage de gaz
- Formation des biofilms EA
- Caractérisation des piles
- Performance des biofilms secondaires en piles
- Formation des biofilms anodiques primaires et secondaires
- Caractérisation en pile des biofilms secondaires
- Formation des biofilms EA en système à 2 ou 3 électrodes
- Biofilms formés en piles (systèmes à 2 électrodes)
2.6.1.1. Biofilms primaires
2.6.1.2. Biofilms secondaires
- Biofilms formés sous polarisation (systèmes à 3 électrodes)
- Comparaison des performances des deux versions des prototypes de