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Traitement des Eaux et des Déchets
Présentation

Approche intégrée du traitement et de la valorisation des eaux et des déchets


Les recherches de l’équipe Traitement des Eaux et Déchets (TED) sont organisées autour d’une vision globale intégrée du traitement et de la valorisation des eaux usées, des biomasses et des déchets.
Cette approche systémique s’appuie sur une démarche conjointe expérimentation-modélisation-simulation des procédés, pour traiter, réutiliser et valoriser des effluents urbains ou industriels et des biomasses (production d’H2, de CH4, de chaleur ; production de biocarburants et de molécules plateformes pour la chimie ; récupération des nutriments, des métaux, etc.). Elle vise à contribuer aux grands enjeux du 21ème siècle et plus particulièrement aux transitions écologique et énergétique.
A cet effet, l’équipe développe des approches multi-échelles de traitement et de valorisation des effluents et des biomasses. Aux échelles moléculaire et cellulaire, l’équipe possède et développe des compétences pour les caractérisations spécifiques comme la rhéologie et la (bio)-calorimétrie. Cette dernière est appliquée à la fois à la détermination de la chaleur liée au métabolisme cellulaire et aussi à la calorimétrie haute pression (max 300°C, 60 MPa), l’originalité de l’équipe porte sur le design de cellules calorimétriques spécifiques. A l’échelle du réacteur, les études se focalisent sur le développement, le dimensionnement et l’optimisation de procédés biologiques, thermochimiques et physico-chimiques. La caractérisation des grandeurs cinétiques et de transferts mène au développement de modèles dédiés. Ces modèles sont utilisés au sein de méthodologies intégratives spécifiques dès que deux ou plusieurs procédés sont couplés. Ces méthodes sont développées pour déterminer le fonctionnement optimal du couplage et/ou du site industriel accueillant ces procédés.
 
Les thématiques développées dans l’équipe TED s’articulent autour des trois axes suivants :
 

Axe Dépollution

dédié au dimensionnement de procédés de traitement des eaux et des déchets ainsi qu’à la compréhension des mécanismes de transfert et processus réactionnels mis en jeu.
Sous-axes : bioréacteurs, filtres réactifs, oxydation en voie humide, rhéologie, calorimétrie, etc.
 

Axe Valorisation

dans lequel les études sont consacrées à l’optimisation des processus et procédés pour la valorisation matière et/ou énergie des effluents et des déchets 
Sous-axes : bioH2 et vecteurs énergétiques à partir de biomasse, gazéification, procédés de liquéfaction hydrothermale, récupération de nutriments, etc.
 

Axe Intégration

focalisé sur l’étude du couplage des procédés développés dans l’équipe associée à une démarche d’optimisation des flux par des méthodes ad hoc.
Sous-axes : couplage de procédés, optimisation énergétique, simulation de filières, etc.
+ Procédés biologiques
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+ Outils et Approches transverses

Responsable

  • Cristian BARCA
    Maître de Conférences AMU - HDR
    équipe Traitement des Eaux et Déchets
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Annuaire personnel permanent

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Doctorants, Post-Doctorants et CDD

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Equipements

-    Rhéomètre
-    Calorimètre SETARAM C80
-    Spectromètre UV et IR équipé avec une cellule gaz pour mesure on-line continu et ATR
-    Micro-chromatographe gaz
-    Pilote de Gazéification semi Batch (10 gr) (études de faisabilité)
-    Banc de caractérisation de la pollution des eaux (DCO, DBO5, MES, MVS, PO43+, NH4+, NO3- …)
-    Calorimètre de réaction (1 L)
-    Réacteurs hydrothermaux hautes pression et température, batch (200 mL 350°C, 40MPa) et continus (6 L/h, 500°C, 30MPa)
-    Pompes haute pression
-    Bioréacteurs

Partenaires académiques et industriels

Collaborations Internationales avec

Kumamoto University (Japon) / EAN Bogotá (Colombie) / La Sapienza Rome (Italie) / Politecnico di Torino (Italie) / LBGEL-ENIS Sfax (Tunisie)

 

Collaborations Nationales 

Industrielles :

ENGIE / A3i INOVERTIS / Société du Canal de Provence / Athéna Recherche & Innovation / Earthwake / CMA-CGM

Académiques - Institutionnelles :

Région PACA / Institut de Mécanique et Ingénierie (IMI) / FR Fabri de Peiresc / FR ECCOREV / BIP Marseille / BBF Marseille / CEREGE Aix-en-Provence / INERIS Aix-en-Provence / DEEP-INSA Lyon / LRGP Nancy / LGC Toulouse / Hôpitaux de Marseille

 

Dernières publications de l'équipe

  • 2024
    Heni Dallagi, Nassim Ait-Mouheb, Audrey Soric, Olivier Boiron. Simulation of the flow characteristics of a labyrinth milli-channel used in drip irrigation. Biosystems Engineering, 2024, 239, pp.114-129. ⟨10.1016/j.biosystemseng.2024.02.004⟩. ⟨hal-04479285⟩ Plus de détails...

    Simulation of the flow characteristics of a labyrinth milli-channel used in drip irrigation

    Water scarcity is a global concern, with irrigation of food crops contributing significantly to freshwater depletion. Drip irrigation technology reduces water consumption but faces issues like clogging in narrow discharge sections, diminishing efficiency, and increasing costs. Accurate prediction of flow characteristics and understanding pa- rameters affecting biofilm growth and particle deposition is crucial for effective anti-clogging strategies. Computational fluid dynamics (CFD) using turbulence models can be a valuable tool. This study evaluated the accuracy and efficiency of different turbulence models (standard k-ε, Reynolds Stress Model, and Large Eddy Simulation) in predicting the flow characteristics of a commercial emitter in a drip irrigation system. Results showed the standard k-ε model as a preferred choice for simulating mean flow characteristics and emitter discharge due to its balance between accuracy and computational efficiency. However, the Large Eddy Simu- lation model provided the most accurate results, considering the emitter discharge, unsteady flow behavior, wall shear stress distribution, and oscillatory index, despite requiring more computational resources. This model is valuable for understanding hydrodynamic effects on emitter clogging. The study also investigated the impact of velocity fluctuations, wall shear stress, and oscillatory shear index on biofilm growth and deposition in the emitter. Low shear stress in inlet and return zones reduced self-cleaning ability, leading to particle and micro- organism attachment. Maintaining appropriate wall shear stress values in other regions proved crucial for improving anti-clogging ability. High oscillatory shear index values enhanced mass transfer, nutrient mixing, diffusion within the biofilm, and self-cleaning capacity. In summary, this study greatly enhances our under- standing of how flow dynamics and biofilm management impact drip irrigation systems. It provides practical insights for engineers and practitioners, aiding in the creation of more efficient and clog-resistant systems. By optimizing these dynamics and strategies, this research promotes sustainable water use in agriculture, while also minimizing maintenance costs and maximizing crop yields.
    Heni Dallagi, Nassim Ait-Mouheb, Audrey Soric, Olivier Boiron. Simulation of the flow characteristics of a labyrinth milli-channel used in drip irrigation. Biosystems Engineering, 2024, 239, pp.114-129. ⟨10.1016/j.biosystemseng.2024.02.004⟩. ⟨hal-04479285⟩
    Journal: Biosystems Engineering
    Date de publication: 01-03-2024
    Auteurs:
    Digital object identifier (doi): http://dx.doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2024.02.004
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  • 2023
    Emilie Gout, Fatimatou Toure Lo, Mathias Monnot, Olivier Boutin, Pierre Vanloot, et al.. Coupling membrane processes with wet air oxidation for the remediation of industrial effluents. Chemical Engineering Journal, 2023, 472, pp.144937. ⟨10.1016/j.cej.2023.144937⟩. ⟨hal-04202142⟩ Plus de détails...

    Coupling membrane processes with wet air oxidation for the remediation of industrial effluents

    Emilie Gout, Fatimatou Toure Lo, Mathias Monnot, Olivier Boutin, Pierre Vanloot, et al.. Coupling membrane processes with wet air oxidation for the remediation of industrial effluents. Chemical Engineering Journal, 2023, 472, pp.144937. ⟨10.1016/j.cej.2023.144937⟩. ⟨hal-04202142⟩
    Journal: Chemical Engineering Journal
    Date de publication: 01-09-2023
    Auteurs:
    Digital object identifier (doi): http://dx.doi.org/10.1016/j.cej.2023.144937
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  • 2023
    Gautier Hypolite, Olivier Boutin, Sandrine Del Sole, Jean-François Cloarec, Jean-Henry Ferrasse. Evaluation of a water network’s energy potential in dynamic operation. Energy, 2023, 271, pp.127066. ⟨10.1016/j.energy.2023.127066⟩. ⟨hal-04504325⟩ Plus de détails...

    Evaluation of a water network’s energy potential in dynamic operation

    To address the challenges of the energy transition, reducing consumption and optimizing energy production is crucial for all industrial sectors. In the future, water issues will be as important as energy issues, making the optimization of water supply systems critical. The water sector represents large energy consumption for pumping and heating. In regards to this consumption, water systems have a great potential for energy recovery through hydroelectric production or thermal energy recovery. This article aims to quantify the energy potential of water supply systems, which has not been well understood until now. The energy potential of these systems encompasses hydropower recovery and thermal potential, including heat recovery and cold recovery. For that, a method is developed to estimate this potential, including the recoverable power, its location, and its temporal variation. The method can be used for hydroelectricity production, as well as for heat and cold recovery. For a whole year, the results indicate a hydraulic potential of 15 MWh.km−1.year−1, and respectively 1650 MWh.km−1 .year−1 for heat recovery and 766 MWh.km−1.year−1 for cold recovery.
    Gautier Hypolite, Olivier Boutin, Sandrine Del Sole, Jean-François Cloarec, Jean-Henry Ferrasse. Evaluation of a water network’s energy potential in dynamic operation. Energy, 2023, 271, pp.127066. ⟨10.1016/j.energy.2023.127066⟩. ⟨hal-04504325⟩
    Journal: Energy
    Date de publication: 01-05-2023
    Auteurs:
    Liste des documents:
    Digital object identifier (doi): http://dx.doi.org/10.1016/j.energy.2023.127066
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  • 2023
    Tetyana Kyrpel, Vita Saska, Anne de Poulpiquet, Mathieu Luglia, Audrey Soric, et al.. Hydrogenase-based electrode for hydrogen sensing in a fermentation bioreactor. Biosensors and Bioelectronics, 2023, 225, pp.115106. ⟨10.1016/j.bios.2023.115106⟩. ⟨hal-03963086⟩ Plus de détails...

    Hydrogenase-based electrode for hydrogen sensing in a fermentation bioreactor

    The hydrogen-based economy will require not only sustainable hydrogen production but also sensitive and cheap hydrogen sensors. Commercially available H2 sensors are limited by either use of noble metals or elevated temperatures. In nature, hydrogenase enzymes present high affinity and selectivity for hydrogen, while being able to operate in mild conditions. This study aims at evaluating the performance of an electrochemical sensor based on carbon nanomaterials with immobilised hydrogenase from the hyperthermophilic bacterium Aquifex aeolicus for H2 detection. The effect of various parameters, including the surface chemistry, dispersion degree and amount of deposited carbon nanotubes, enzyme concentration, temperature and pH on the H2 oxidation are investigated. Although the highest catalytic response is obtained at a temperature around 60 °C, a noticeable current can be obtained at room temperature with a low amount of protein less than 1 µM. An original pulse-strategy to ensure H2 diffusion to the bioelectrode allows to reach H2 sensitivity of 4 µA cm-2 per % H2 and a linear range between 1-20 %. Sustainable hydrogen was then produced through dark fermentation performed by a synthetic bacterial consortium in an up-flow anaerobic packed-bed bioreactor. Thanks to the outstanding properties of the A. aeolicus hydrogenase, the biosensor was demonstrated to be quite insensitive to CO2 and H2S produced as the main co-products of the bioreactor. Finally, the bioelectrode was used for the in situ measurement of H2 produced in the bioreactor in steady-state.
    Tetyana Kyrpel, Vita Saska, Anne de Poulpiquet, Mathieu Luglia, Audrey Soric, et al.. Hydrogenase-based electrode for hydrogen sensing in a fermentation bioreactor. Biosensors and Bioelectronics, 2023, 225, pp.115106. ⟨10.1016/j.bios.2023.115106⟩. ⟨hal-03963086⟩
    Journal: Biosensors and Bioelectronics
    Date de publication: 01-04-2023
    Auteurs:
    • Tetyana Kyrpel
    • Vita Saska
    • Anne de Poulpiquet
    • Mathieu Luglia
    • Audrey Soric
    • Magali Roger
    • Oksana Tananaiko
    • Marie Thérèse Giudici-Orticoni
    • Elisabeth Lojou
    • Ievgen Mazurenko
    Liste des documents:
    Digital object identifier (doi): http://dx.doi.org/10.1016/j.bios.2023.115106
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  • 2023
    Kelly Ohanessian, Cristian Barca, Audrey Soric, Jean-Henry Ferrasse, Olivier Boutin. Simulation of Alternative Process Schemes for Hydrofluoric and Phosphoric Acid Stream Treatment and Nutrient Recovery. Process Integration and Optimization for Sustainability, 2023, 7 (4), pp.831-845. ⟨10.1007/s41660-023-00326-x⟩. ⟨hal-04504375⟩ Plus de détails...

    Simulation of Alternative Process Schemes for Hydrofluoric and Phosphoric Acid Stream Treatment and Nutrient Recovery

    Hydrofluoric and phosphoric acid streams produced by the microelectronic industry usually present high flow and high contents of phosphorus, nitrogen, fluorine, and organic carbon. This study aims at evaluating the efficiency and suitability of alternative process schemes for the treatment and valorization of hydrofluoric and phosphoric acid streams. A comparative approach is proposed, based on the simulation of different process schemes, each involving several steps of physicochemical and biological treatments. The main objectives are to compare (i) the treatment efficiency, (ii) the consumption of chemical reagents, and (iii) the recovery of high-value by-products (e.g. calcium fluoride, struvite, and hydroxyapatite), and hence to identify the most suitable process scheme. Furthermore, this study contributes to the development of chemical precipitation and bioconversion models that can be applied for further simulation studies on wastewater treatment processes. The results indicate that the use of calcium hydroxide (Ca(OH2)) as the only source of Ca2+ and OH− ions for the precipitation steps is a promising way to reduce the total consumption of chemical reagents while recovering high purity (> 98%) calcium fluoride and struvite. Moreover, the use of a membrane aerated biofilm reactor after the precipitation steps may further decrease organic carbon and nitrogen contents below 125 g COD.m−3 and 30 g N.m−3, thus allowing effluent discharge to natural waters. Overall, this study gives useful information for the development of innovative treatment processes, and it provides crucial data for the selection of the most promising alternative schemes.
    Kelly Ohanessian, Cristian Barca, Audrey Soric, Jean-Henry Ferrasse, Olivier Boutin. Simulation of Alternative Process Schemes for Hydrofluoric and Phosphoric Acid Stream Treatment and Nutrient Recovery. Process Integration and Optimization for Sustainability, 2023, 7 (4), pp.831-845. ⟨10.1007/s41660-023-00326-x⟩. ⟨hal-04504375⟩
    Journal: Process Integration and Optimization for Sustainability
    Date de publication: 23-03-2023
    Auteurs:
    Liste des documents:
    Digital object identifier (doi): http://dx.doi.org/10.1007/s41660-023-00326-x
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Rencontres scientifiques

Actualités Archives récentes

Soutenances de thèses et HDR

Actualités Archives
25 janvier 2024 - Développement d'approches intégrées pour la récupération de nutriments et de vecteurs énergétiques à partir des eaux usées et des biomasses résiduaires / Soutenance HDR Cristian Barca
Date et lieu : le jeudi 25 janvier 2024 à 10h00 au M2P2, Grand Amphithéâtre du CEREGE, Technopôle de l'Arbois, Avenue Louis Philibert 13290 Aix en Provence.

Résumé : La mise en œuvre d’une économie circulaire dans les secteurs des eaux usées et des biodéchets représente aujourd’hui un enjeu de grande actualité pour les chercheurs et les professionnels dans le domaine de la gestion durable des ressources. En effet, la récupération de vecteurs énergétiques et matières premières secondaires à partir des eaux usées et des biodéchets peut représenter une solution durable pour surmonter la pénurie de ressources naturelles non renouvelables. En particulier, les eaux usées et les biomasses résiduaires telles que les boues d'épuration, les digestats de méthanisation et les lisiers d’élevage représentent des sources renouvelables de carbone organique et de nutriments tels que l'azote (N), le potassium (K) et le phosphore (P) qui peuvent être valorisés dans la production de biocarburants (e.g. biogaz, biohuiles) et d'engrais (e.g. précipités de N, K et P). Par conséquent, le développement de procédés innovants qui intègrent la récupération de vecteurs énergétiques et de nutriments lors du traitement des eaux usées et des biomasses résiduaires a reçu une attention croissante au cours de la dernière décennie.
Depuis l’obtention d'un doctorat en Génie des Procédés, mon activité de recherche a porté principalement sur le développement de procédés destinés au traitement et à la valorisation des eaux usées et des biomasses résiduaires, avec un accent particulier sur la récupération de nutriments et vecteurs énergétiques. Ces recherches ont ainsi contribué à l’avancement scientifique des connaissances sur les mécanismes sous-jacents aux phénomènes de conversion et de transfert, ainsi qu’à l’avancement technologique de la conception et de la mise au point des procédés. Dans le cadre de la préparation du diplôme d'Habilitation à Diriger des Recherches (HDR), cette présentation de soutenance portera sur une synthèse des travaux de recherche menés depuis l’obtention du doctorat. Enfin, la stratégie de recherche et quelques perspectives de recherches futures seront présentées.

Mots clés : Eaux usées, Biomasses résiduaires, Nutriments, Biogaz, Économie circulaire

Jury
Mme Alessandra CARUCCI,   Professeur des Universités, Université de Cagliari (Italie), Rapporteur
Mme Véronique DELUCHAT,  Professeur des Universités, Université de Limoges (France), Rapporteur                     
M Rémy GOURDON,   Professeur des Universités, INSA Lyon (France), Rapporteur   
M Florent CHAZARENC,   Directeur de recherche, INRAE Lyon (France), Examinateur
M Eric RECORD,   Directeur de recherche, INRAE Marseille (France), Examinateur
Mme Laure MALLERET,   Maître de Conférences (HDR), Aix-Marseille Université (France), Examinateur
M Olivier BOUTIN,   Professeur des Universités, Aix-Marseille Université (France), Tuteur
M Jean-Henry FERRASSE,   Professeur des Universités, Aix-Marseille Université (France), Invité
28 novembre - Sustainable biorefinery schemes for the recovery of energy, material and nutrient of residual biomass / Soutenance de thèse Monica AMADO
Doctorant : Monica AMADO 

Date : lundi 28 novembre à 9h30 dans La salle 205 du CEREGE / Arbois

Abstract : Agricultural activities are a constant source of residual biomass that does not usually have an added value during harvesting activities or throughout the raw material transformation industry, impacting the environmental surroundings where these activities take place. The residual biomass coming from the livestock sector (manure) and the agricultural sector (transient and permanent crops) has a high pollutant load related to biodegradable organic matter.  
The problem of the project focuses on Colombian economic changes that have encouraged the use of biofuels as an alternative to reduce dependence on the fossil fuel industry. By presenting the biological processes of anaerobic co-digestion (AD) or dark fermentation (DF) as an alternative for the waste valorization of three relevant agricultural waste from the Colombian (coffee mucilage, cocoa mucilage and swine manure) due to its production increase and their high content of carbohydrates, proteins, and cellulose. 
Bioprocesses are limited by efficient and optimal design. Therefore, the results present three biorefinery schemes modeled in Aspen Plus, for the recovery of products and by-product. Furthermore, through energy, by using Aspen Energy Analyzer and life cycle assessments (LCA - SimaPro), the project presents the sustainability and efficiency for the proposed schemes.  
The project aims an advance in the subject given that the first works in the country have been conceptual approaches to develop the biorefinery concept. 
  
Jury

  • Pierre BUFFIERE – Rapporteur - Professeur, INSA de Lyon, France 
  • Ludovic MONTASTRUC – Rapporteur - Professeur, INP Toulouse, France 
  • Paola ACEVEDO – Examinatrice - Maître de conférences, Université Coopérative de Colombie, Colombie 
  • Ivan CABEZA – Examinateur - Professeur, Université La Salle, Colombie 
  • Hélène CARRERE – Présidente de jury - Directrice de recherche INRAE, France 
  • Jean-Henry FERRASSE - Directeur·de these - Professeur, Aix-Marseille Université, France 
  • Cristian BARCA - Co-directeur·de these - Maître de conférences, Aix-Marseille Université, France