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Traitement des eaux et déchets

Procédés biologiques

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Outils et Approches transverses

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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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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

  • 2025
    Antonello Tangredi, Cristian Barca, Jean-Henry Ferrasse, Olivier Boutin. Combining process severity and response surface methodology: a comprehensive approach to phosphorus speciation in sewage sludge hydrothermal treatment. Journal of Environmental Management, 2025, 381, pp.125239. ⟨10.1016/j.jenvman.2025.125239⟩. ⟨hal-05039217⟩ Plus de détails...

    Combining process severity and response surface methodology: a comprehensive approach to phosphorus speciation in sewage sludge hydrothermal treatment

    Phosphorus is essential for global food production, but intensive agriculture disrupts its natural cycle, increasing reliance on non-renewable sources. A sustainable alternative is recovering phosphorus from waste streams using thermochemical processes. This work investigates the hydrothermal treatment of sewage sludge digestate to explore phosphorus conversion and speciation, aiming to optimize solid by-product as fertilizer. Through a novel integration of response surface methodology and process severity modeling, the study examines the influence of process parameters (temperature, time) on phosphorus behavior. A sewage sludge digestate, sampled from a wastewater treatment plant, was treated in a batch reactor at temperatures from 250 to 350 °C for 5-45 min. Products were centrifuged into a solid pellet and process water, followed by characterization of their physicochemical properties. Results show that temperature and time significantly impact by-product characteristics and phosphorus speciation. Treatments at 250-300 • C promote organic phosphorus mineralization and increase soluble phosphate concentration, while treatments at 350 • C lead to greater phosphorus recovery in the solid pellet, mostly as calcium phosphates. This research provides a framework for sustainable phosphorus recovery, suggesting hydrothermally treated pellets as potential slow-release fertilizers. Future work should comprehensively investigate the effect of calcium addition on phosphorus precipitation as calcium phosphates.
    Antonello Tangredi, Cristian Barca, Jean-Henry Ferrasse, Olivier Boutin. Combining process severity and response surface methodology: a comprehensive approach to phosphorus speciation in sewage sludge hydrothermal treatment. Journal of Environmental Management, 2025, 381, pp.125239. ⟨10.1016/j.jenvman.2025.125239⟩. ⟨hal-05039217⟩
    Journal: Journal of Environmental Management
    Date de publication: 01-01-2025
    Auteurs:
    Liste des documents:
    Digital object identifier (doi): http://dx.doi.org/10.1016/j.jenvman.2025.125239
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  • 2025
    Emilie Gout, Mathias Monnot, Olivier Boutin, Pierre Vanloot, Philippe Moulin. Prospects of industrial membrane concentrates: treatment of landfill leachates by coupling reverse osmosis and wet air oxidation. Environmental Science and Pollution Research, 2025, 32, pp.16570-16578. ⟨10.1007/s11356-024-32461-4⟩. ⟨hal-04593773⟩ Plus de détails...

    Prospects of industrial membrane concentrates: treatment of landfill leachates by coupling reverse osmosis and wet air oxidation

    Emilie Gout, Mathias Monnot, Olivier Boutin, Pierre Vanloot, Philippe Moulin. Prospects of industrial membrane concentrates: treatment of landfill leachates by coupling reverse osmosis and wet air oxidation. Environmental Science and Pollution Research, 2025, 32, pp.16570-16578. ⟨10.1007/s11356-024-32461-4⟩. ⟨hal-04593773⟩
    Journal: Environmental Science and Pollution Research
    Date de publication: 01-01-2025
    Auteurs:
    Digital object identifier (doi): http://dx.doi.org/10.1007/s11356-024-32461-4
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  • 2025
    Carolina Ochoa-Martinez, Cristian Barca, Olivier Boutin, Jean-Henry Ferrasse. Influences of temperature and reaction time on nutrient conversion and metal interactions during hydrothermal treatment of pig manure. Science of the Total Environment, 2025, 958, pp.177853. ⟨10.1016/j.scitotenv.2024.177853⟩. ⟨hal-04967893⟩ Plus de détails...

    Influences of temperature and reaction time on nutrient conversion and metal interactions during hydrothermal treatment of pig manure

    Pig manure is a renewable source of nutrients, such as phosphorus and nitrogen, that can be used to produce fertilizers. Hydrothermal treatment experiments using real pig manure were conducted to investigate the effect of temperature (107–200 ◦C) and reaction time (25–95 min) on nutrient conversion and distribution into hydrochar and process water. Sequential extractions were also performed to determine the phosphorus speciation in raw pig manure and hydrochars. The results showed that phosphorus and nitrogen recovery in the hydrochar was consistently above 94 % and 56 %, respectively, for all the experiments. Phosphorus content in the hydrochar increased from 15.4 to 24.6 mg P/g by increasing temperature and/or reaction time. Sequential extractions showed the increase in temperature led to a decrease in non-apatite inorganic phosphorus and organic phosphorus fractions in the hydrochars, while the apatite inorganic phosphorus fraction (Ca phosphates) increased. The concentration of total dissolved nitrogen in process water increased to values higher than 6000 mg N/L, while the ammonium concentration decreased to values lower than 2000 mg N/L by increasing temperature and/or reaction time. These results appear to indicate that the increase in hydrothermal temperature from 107 to 200 ◦C promoted the extraction and dissolution of organic nitrogen compounds from solid matrices to process water. This study provides valuable insights into P and N transformation during hydrothermal treatment of pig manure, which represent crucial information for developing sustainable treatment processes that aim to minimize waste disposal while enhancing the closure of anthropogenic P and N cycles.
    Carolina Ochoa-Martinez, Cristian Barca, Olivier Boutin, Jean-Henry Ferrasse. Influences of temperature and reaction time on nutrient conversion and metal interactions during hydrothermal treatment of pig manure. Science of the Total Environment, 2025, 958, pp.177853. ⟨10.1016/j.scitotenv.2024.177853⟩. ⟨hal-04967893⟩
    Journal: Science of the Total Environment
    Date de publication: 01-01-2025
    Auteurs:
    Liste des documents:
    Digital object identifier (doi): http://dx.doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.177853
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  • 2024
    Alessandro Amadei, Maria Paola Bracciale, Martina Damizia, Paolo de Filippis, Benedetta de Caprariis, et al.. Hydrothermal Liquefaction of Organic Waste Model Compounds: The Effect of the Heating Rate on Biocrude Yield and Quality from Mixtures of Cellulose–Albumin–Sunflower Oil. ACS Omega, 2024, 9 (40), pp.41194-41207. ⟨10.1021/acsomega.4c01510⟩. ⟨hal-04891022⟩ Plus de détails...

    Hydrothermal Liquefaction of Organic Waste Model Compounds: The Effect of the Heating Rate on Biocrude Yield and Quality from Mixtures of Cellulose–Albumin–Sunflower Oil

    Hydrothermal liquefaction (HTL) is a promising technology for the conversion of high-moisture biomass into a liquid biofuel precursor without predrying treatment. This study investigated the effects of the heating rate (20-110 °C/min) and feedstock composition on phase repartition of the HTL products. HTL tests were carried out using as feedstocks cellulose, egg albumin, and sunflower oil as model compounds for carbohydrates, proteins, and lipids, alone and in binary mixtures. The biocrude, solid residue, and aqueous phase were characterized in terms of composition and elemental percentage. The effects of binary interactions were studied in terms of product yields and compositions. It was observed that higher heating rates resulted in lower solid yields from all the cellulose-containing feedstocks and, in most cases, in higher biocrude yields and higher energy recovery. The results showed that the heating rate influences also the oil composition. Biocrude and solid yields were compared with their prediction based on the combination of the yields of single model compounds, showing a general increase in biocrude yields and a decrease in solid yields. The most significant deviation is observed with the mixture cellulose-albumin both for the biocrude and solid yields. In fact, the main interactions were recognized for carbohydrate-protein mixtures followed by carbohydrate-lipid and protein-lipid mixtures.
    Alessandro Amadei, Maria Paola Bracciale, Martina Damizia, Paolo de Filippis, Benedetta de Caprariis, et al.. Hydrothermal Liquefaction of Organic Waste Model Compounds: The Effect of the Heating Rate on Biocrude Yield and Quality from Mixtures of Cellulose–Albumin–Sunflower Oil. ACS Omega, 2024, 9 (40), pp.41194-41207. ⟨10.1021/acsomega.4c01510⟩. ⟨hal-04891022⟩
    Journal: ACS Omega
    Date de publication: 27-09-2024
    Auteurs:
    • Alessandro Amadei
    • Maria Paola Bracciale
    • Martina Damizia
    • Paolo de Filippis
    • Benedetta de Caprariis
    • Jean-Henry Ferrasse
    • Marco Scarsella
    Liste des documents:
    Digital object identifier (doi): http://dx.doi.org/10.1021/acsomega.4c01510
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  • 2024
    Julien Berger, Jean-Henry Ferrasse, Suelen Gasparin, Olivier Le Metayer, Benjamin Kadoch. Thermodynamic analysis of the effect of mass transfer on a real building wall efficiency under climatic transient conditions. International Journal of Thermal Sciences, 2024, 202, pp.109050. ⟨10.1016/j.ijthermalsci.2024.109050⟩. ⟨hal-04784805⟩ Plus de détails...

    Thermodynamic analysis of the effect of mass transfer on a real building wall efficiency under climatic transient conditions

    Within the environmental context, designing energy efficient buildings is crucial. Standard performance indicators evaluate the quantity of energy going through the wall. Such indicator considers the energy balance of the wall, i.e the first thermodynamic law. However, the main drawback of such approach is that it does not qualify the energy quality, which can be done by the second thermodynamic law. This paper proposed a performance indicator that both quantifies and qualifies the energy efficiency of a wall. It is based on the evaluation of the exergy destruction rate. The performance indicator has been developed for transient conditions induced by climatic variations of temperature and relative humidity and considering coupled heat and mass transfer in the wall. Calculations were carried out with experimental data obtained from a wall demonstrator under climatic conditions and comparisons with standard performance indicators were also performed. The corresponding results highlighted that the exergy loss allows a more accurate assessment of the energy performance and the influence of mass transfer on it. Indeed, the mass transfer can account for 30% in the exergy destruction.
    Julien Berger, Jean-Henry Ferrasse, Suelen Gasparin, Olivier Le Metayer, Benjamin Kadoch. Thermodynamic analysis of the effect of mass transfer on a real building wall efficiency under climatic transient conditions. International Journal of Thermal Sciences, 2024, 202, pp.109050. ⟨10.1016/j.ijthermalsci.2024.109050⟩. ⟨hal-04784805⟩
    Journal: International Journal of Thermal Sciences
    Date de publication: 01-08-2024
    Auteurs:
    Liste des documents:
    Digital object identifier (doi): http://dx.doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2024.109050
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Rencontres scientifiques

Archives récentes Archives

Soutenances de thèses et HDR

Actualités Archives récentes
11 décembre 2025 - Valorisation du lisier de porc par traitement hydrothermal : étude de la dynamique de conversion du Phosphore et de l’Azote / Soutenance de thèse Carolina Ochoa-Martinez
Doctorante : Carolina OCHOA MARTINEZ

Date et lieu : le 11 décembre 2025 à 14h00 dans la salle de projection du FORUM de l'Arbois-Méditerranée

Résumé : L’agriculture mondiale dépend fortement des réserves non renouvelables de phosphore (P) ainsi que des engrais azotés (N) à forte intensité énergétique pour maintenir les rendements agricoles. Parallèlement, l’élevage intensif génère de grands volumes d’effluents liquides, riche en matière organique et en éléments nutritifs, qui, s’ils ne sont pas correctement gérés, peuvent entraîner des impacts environnementaux liés à leur rejet.

Pour répondre à ces enjeux, un traitement hydrothermal utilisant du lisier de porc réel a été réalisé afin d’étudier l’effet des paramètres opératoires sur la conversion et la distribution du P et du N. Les expériences comparatives ont été menées en utilisant une grande gamme de sévérité (107–200 °C, 25–95 min à 300 °C, 10–60 min). Les phases solide, aqueuse et huiles obtenues ont été systématiquement caractérisées via des analyses physico-chimiques et des extractions séquentielles du phosphore.

Les résultats montrent que plus de 90 % du P a été récupéré dans la phase solide. La minéralisation du phosphore organique, ainsi que la dissolution des formes de P associées à l’Al/Fe conduisant à la formation de phosphates de calcium, ont été identifiées comme le principal mécanisme contrôlant la rétention du P dans l’hydrochar. La température est apparue comme le paramètre le plus influent sur la conversion et la spéciation du P, avec de fortes corrélations observées entre les formes de P et la disponibilité des cations métalliques (Ca, Mg, Fe, Al). L’azote organique dissous est demeuré la fraction N dominante dans la phase aqueuse, révélant une lacune majeure dans les stratégies actuelles de valorisation hydrothermale.

Mots-clés : traitement hydrothermal, lisier de porc, spéciation du phosphore, transformation de l’azote, biobrut, recirculation des eaux de procédé, liquéfaction hydrothermale, carbonisation hydrothermale.

Jury :
Audrey VILLOT                                          Rapportrice,                                                      IMT Atlantique
Magali CASELLAS                                     Rapportrice,                                                      Université de Limoges
Boram KIM                                                 Examinatrice,                                                    INSA Lyon
Stéphan BOSTYN                                      Examinateur,                                                     Université d’Orléans
Olivier BOUTIN                                          Examinateur,                                                     Aix Marseille Université
Jean-henry FERRASSE                            Directeur de thèse,                                            Aix Marseille Université
Cristian BARCA                                        Co-directeur de thèse,                                       Aix Marseille Université

11 décembre 2024 - Mechanisms of interactions between organic and mineral matter (phosphates) during hydrothermal liquefaction of residual biomass: application to digestate from anaerobic digestion / Antonello Tangredi PhD Defense
Doctorant : Antonello TANGREDI

Date : Wednesday December 11, 2024 at 9.30am in the Cerege Amphitheatre at the Technopôle de l'Arbois-Méditerranée

Abstract : Phosphorus (P) is an essential nutrient for global food production, but intensive agriculture disrupts its natural cycle, increasing reliance on non-renewable sources. A sustainable alternative is recovering P from renewable organic waste streams such as sewage sludge and digestate. This PhD thesis investigates the hydrothermal treatment of sewage sludge to explore P conversion and speciation, aiming to valorize the mineral phase as fertilizer and the organic phase as bio-oil. Two types of sludge, differing in solids content and composition, were sampled from a wastewater treatment plant in southern France. The sludge was treated in a batch reactor at temperatures varying from 250 to 350 °C for 5 to 45 min. Products were centrifuged into a solid pellet and process water, followed by characterization of their physicochemical properties. Results show that temperature and treatment duration significantly impact by-product characteristics, including their P content and speciation. Higher temperatures and longer times improve bio-oil yield. Treatments at 250-300 °C promote organic P mineralization and increase soluble phosphate concentration in the process water, while treatments at 350 °C lead to greater P recovery yield in the solid pellet (> 90%). Higher calcium and iron contents of sludge improve orthophosphate precipitation, and calcium oxide addition enhances P recovery in the solid pellet as calcium phosphate. This research provides a framework for sustainable P recovery, suggesting hydrothermally treated pellets as potential slow[1]release fertilizers. Future work should include detailed bio-oil characterization to better assess the energy recovery potential.

Keywords : residual biomass, phosphorus recovery, hydrothermal liquefaction, sewage sludge, circular economy.

Jury:
Benedetta DE CAPRARIIS,       Reviewer, Associate professor, La Sapienza University of Rome
Véronique DELUCHAT,             Reviewer, Professor, Limoges University
Anthony DUFOUR,                   Examiner, Senior scientist, CNRS LRGP
Jean-Henry FERRASSE,           Examiner, Professor, Aix-Marseille University
Mathieu GAUTIER,                   Examiner, Professor, INSA Lyon
Elsa WEISS-HORTALA,            Examiner, Assistant professor, IMT Mines Albi
Olivier BOUTIN,                       Thesis supervisor, Professor, Aix-Marseille University
Cristian BARCA,                       Thesis co-supervisor, Associate professor, Aix-Marseille University