Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Section des sciences et ingénierie de l'environnement, Institut des sciences et technologies de l'environnement ISTE (Laboratoire de biotechnologie environnementale LBE)

A strategy for xenobiotic removal using photocatalytic treatment, microbial degradation or integrated photocatalytic-biological process

Lapertot, Miléna ; Pulgarin, César (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2006 ; no 3548.

Ajouter à la liste personnelle
    Summary
    According to the limited natural resources and due to the risks of anthropogenic pollution, it appears necessary to react efficiently in order to remove existing contaminations and avoid the creation of new ones. Therefore, the purpose of this thesis is to propose a sustainable strategy for treating problematic pollutants with the most adequate process. First, an overview of the different treatment processes has been given. In particular, biological, photocatalytic and integrated biological-photocatalytic treatments have been described as efficient methods to remove xenobiotics. Biological treatment of contaminated environments and industrial effluents has been presented as the most attractive method on a cost-benefit extent. But for biorecalcitrant substances, the Advanced Oxidation Processes (AOP) have remained the most efficient methods although expensive. Therefore, the coupling of biological-photocatalytic has emerged as the best compromise for removal of recalcitrant xenobiotics. The first step of the treatment strategy has consisted of evaluating the biotraitability of 19 chemicals: pesticides, pharmaceuticals and volatile organic compounds (VOCs) have been assessed according to three biodegradability methods (Zahn-Wellens, Manometric Respirometry, Closed-Bottle tests), whose official protocols had to be adapted to the compound specificities (volatility, hydrophobicity). Structure-Activity Relationship (SAR) estimation models have also been used to compare and validate the experimental results. For the compounds which have been assessed as biotraitable (VOCs), further biodegradation studies have been led in order to improve the treatment (batch with pulses of substrate): automated monitoring of the biodegradation process, increased degradation yields and biomass productivity have been successfully completed for Toluene, Ethylbenzene, Xylenes, Chlorobenzenze and Dichlorobenzene removal. Conversely, the compounds assessed as biorecalcitrant have been oriented towards the TiO2 and photo-Fenton photocatalytic treatments. Thus, the degradation of four p-halophenols by TiO2 photocatalysis has been investigated and has demonstrated the halogen effect on removal rates, aromatic intermediates and toxicity variations. Finally, the treatment of five bioreacalcitrant pesticides (Alachlor, Atrazine, Chlorfenvinphos, Diuron, Pentachlorophenol) has been studied in order to develop a coupled photocatalytic-biological system: first, enhanced biotreatability has been evaluated using the Zahn-Wellens procedure and then fixed-bed bioreactors have been operated and permitted to find out the best moment for coupling.
    Résumé
    En raison de la limitation des ressources naturelles et des risques de pollutions anthropogéniques de l'environnement, il apparaît nécessaire d'agir efficacement en vu d'évincer les contaminations existantes et d'éviter la dissémination de nouvelles sources polluantes. Le but de cette thèse est alors de proposer une stratégie permettant de déterminer le processus le plus adéquat pour traiter des polluants problématiques. Un survol des différents procédés de traitement a d'abord été présenté. L'efficacité des méthodes biologiques, photocatalytiques et de couplage biologique-photocatalytique a alors été établie pour l'élimination des composés xénobiotiques. Le traitement biologique des sites contaminés et des effluents industriels s'est imposé comme la méthode la plus attractive en terme de coûts-bénéfices. Néanmoins, les procédés d'oxydation avancée (POA) s'avèrent encore être les plus efficaces pour traiter les substances biorécalcitrantes, bien qu'ils occasionnent des coûts élevés. De ce fait, le couplage biologique-photocatalytique semble être le meilleur compromis pour l'élimination des composés xénobiotiques récalcitrants. La première étape de la stratégie de traitement établie dans le cadre de cette thèse a consisté à évaluer la biotraitabilité de 19 produits chimiques : pesticides, composés pharmaceutiques et composés organiques volatils (COVs) ont été évalués sur la base de trois méthodes (Zahn-Wellens, Respirometrie Manometrique, Tests des bouteilles fermées), dont les protocoles officiels ont dû être adaptés aux spécificités des composés étudiés (volatilité, hydrophobicité). Des modèles de relation "Structure-Activité" ont également été employés, pour comparaison et validation des résultats expérimentaux. Pour les composés évalués biotraitables (COVs), des études de biodégradation ont été menées dans l'optique d'améliorer le procédé de traitement (système batch avec pulses de substrat) : le monitoring automatisé du procédé de dégradation, l'augmentation des rendements de dégradation et de la productivité de biomasse ont été réalisés avec succès pour l'élimination du toluène, de l'ethylbenzène, des xylènes, du chlorobenzène et du dichlorobenzène. Au contraire, les composés évalués biorécalcitrants ont été orientés vers un traitement photocatalytique par TiO2 ou photo-Fenton. La photodégradation de quatre p-halophénols par TiO2 a été investiguée et a permis de démontrer l'effet de l'halogène sur les taux d'élimination du polluant, la nature des intermédiaires aromatiques produits et les variations de toxicité de la solution traitée. Enfin, un système de couplage biologique-photocatalytique a été développé et étudié pour le traitement de cinq pesticides biorécalcitrants (Alachlor, Atrazine, Chlorfenvinphos, Diuron, Pentachlorophénol) : tout d'abord, une biotraitabilité améliorée des pesticides a été réalisée et évaluée selon le protocole du test de Zahn-Wellens, puis leur traitement en bioréacteurs sur lits fluidisés a été accompli et a permis de déterminer le moment le plus approprié au couplage.