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.
This review evaluates fungal bioreactors for the removal of emerging organic pollutants, focusing on pellet-based and immobilized configurations under different operating conditions. A dataset of 71 studies was analyzed by considering reactor configuration, operating mode, and key operating parameters (e.g., pollutant family, carrier type, and wastewater sterility). Overall, removal efficiency was strongly pollutant-dependent. Exploratory comparisons across the available studies suggested that immobilized systems may perform favorably under continuous operation for selected pollutant families, especially non-steroidal anti-inflammatory drugs and antiepileptics. In the dataset analyzed, these families showed median removal efficiencies of 99% and 74%, in immobilized systems, respectively, compared with 85.5% and 50% in pellet-based systems. These trends may be related to improved biomass retention, reduced washout, and greater operational stability; however, the heterogeneity and non-independence of the available data should be considered when interpreting these comparisons. Carrier effects were context-dependent and were most evident for pesticides, while wastewater sterility mainly influenced continuous immobilized systems by affecting biomass stability, microbial competition, and fungal activity. A major limitation in current studies is the focus on parent compound removal, with a limited assessment of the possible toxicity of transformation products. Future research should prioritize long-term continuous operation under non-sterile wastewater conditions, improved immobilization strategies, carrier durability, and transformation product monitoring.
Rosario Baldessarelli, Emmanuel Bertrand, Isabelle Seyssiecq, Cristian Barca. Fungal bioreactors for treatment of emerging organic pollutants: Pellet-based and immobilized configurations. Journal of Environmental Management, 2026, 414, pp.130446. ⟨10.1016/j.jenvman.2026.130446⟩. ⟨hal-05701597⟩
Paul Chambonniere, Evita Dollon, Alexandra Dimitriades-Lemaire, Jean-François Sassi, Florian Delrue. Scalable model development of carbon photosynthetic assimilation and partitioning in a green microalga during nitrogen starvation. Bioresource Technology, 2026, 441, pp.133585. ⟨10.1016/j.biortech.2025.133585⟩. ⟨cea-05424045⟩ Plus de détails...
Lipid accumulation in green microalgae is induced by stresses (e.g. nitrogen starvation) which compromise photosynthetic activity resulting in significantly lower biomass productivity than under nutrient replete conditions. While algae photosynthetic growth has been well characterized and modelled under nutrient replete conditions, the loss of photosynthetic activity during nitrogen starvation lacks specific studies to determine suitable parameterisation. The loss of photosynthetic activity of the lipid-accumulating microalgae Chlorella vulgaris NIES 227 was studied under varying light intensities during nitrogen starvation. Partition of assimilated carbon between the different macromolecules pools (carbohydrates, lipids, and proteins) was concomitantly monitored. The results showed that the decrease of photosynthetic activity correlated well to the increase of cell C:N ratio $(R^2$ = 0,883, $N$=65) enabling to develop a model of microalgae growth and carbon partition under nitrogen starvation. Biomass dry-weight increase could be predicted with good accuracy ($R^2$ = 0,940, $N$ = 66), as total lipid and carbohydrate production could also be predicted with fair accuracy ($R^2$=0,841 and 0,618 respectively). The present study henceforth showed that modelling microalgae productivity based on photosynthetic activity inferred from local light intensity, as done in scalable models under nutrient replete conditions, may be extended to nitrogen starvation conditions and enabled the prediction of lipids and carbohydrates productivity. The model proposed should thus prove useful in optimizing photobioreactors design for the production of important energetic molecules based on light distribution knowledge.
Paul Chambonniere, Evita Dollon, Alexandra Dimitriades-Lemaire, Jean-François Sassi, Florian Delrue. Scalable model development of carbon photosynthetic assimilation and partitioning in a green microalga during nitrogen starvation. Bioresource Technology, 2026, 441, pp.133585. ⟨10.1016/j.biortech.2025.133585⟩. ⟨cea-05424045⟩
Amani Briki, Milos Kacanski, Romain Irague, Audrey Soric. Coupling of biohydrogen and polyhydroxyalkanoates production processes for next-generation biorefineries: process design, optimization and perspectives. Bioprocess and Biosystems Engineering, 2026, ⟨10.1007/s00449-026-03325-7⟩. ⟨hal-05584464⟩ Plus de détails...
The management of organic waste is currently a crucial environmental and societal challenge. Integrating waste treatment with renewable energy production has emerged as promising strategy for reducing the carbon footprint within an energy decarbonization approach. In this context, hydrogen-based biorefineries have gained attention for their ability to convert organic waste into carbon-free energy source. Nevertheless, their large-scale application remains constrained by limited yields, mainly attributed to the synthesis of volatile fatty acids (VFAs) as metabolic by-products. This review focuses on coupling hydrogen (H2) production with polyhydroxyalkanoates (PHAs) production to enhance organic matter recovery and support bioeconomy implementation. A comprehensive description of the coupled process design constitutes the first component of this review, emphasizing the interdependence of feedstock, inoculum types and bioreactor configurations at each stage. Various organic wastes are demonstrated as effective substrates for dark fermentation while the VFAs produced during this stage serve as potential carbon source for PHAs production. The review critically discusses key optimization strategies for the H2/PHAs coupled process, including pretreatment methods application, transition phase management and operational parameters control. It also highlights viable coupling strategies resulting in higher carbon removal efficiency. Based on different life cycle and techno-economic analyses, different challenges in feedstock pretreatment, process efficiency and downstream processing are identified. To overcome these constraints, several perspectives are suggested, emphasizing the relevance of incorporating modelling, nanotechnology and genetic engineering approaches, for better monitoring the coupled process, enhancing its efficiency and thus improving its sustainability and economic feasibility for large-scale implementation.
Amani Briki, Milos Kacanski, Romain Irague, Audrey Soric. Coupling of biohydrogen and polyhydroxyalkanoates production processes for next-generation biorefineries: process design, optimization and perspectives. Bioprocess and Biosystems Engineering, 2026, ⟨10.1007/s00449-026-03325-7⟩. ⟨hal-05584464⟩
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...
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
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...
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⟩
7 octobre 2026
- Contribution au développement d’un procédé de biodégradation enzymatique pour le traitement des antibiotiques dans l’eau / Soutenance de thèse Giulia Panzironi
Doctorante : Giulia PANZIRONI
Date et lieu : le mercredi 7 octobre 2026 à 9h30 au M2P2, dans l’Amphithéâtre du CEREGE, Technopôle de l'Arbois-Méditerranée, 13545, Aix-en-Provence
Résumé : La résistance aux antimicrobiens est une menace mondiale croissante, qui devrait causer jusqu'à deux millions de décès par an d'ici 2050. Elle est alimentée par l'utilisation généralisée et l'accumulation environnementale des antibiotiques. Une stratégie d'atténuation clé est la dégradation de ces polluants issus des eaux usées avant leur rejet dans les écosystèmes. Dans cette thèse, le potentiel des enzymes comme biocatalyseurs pour la bioremédiation des antibiotiques est étudié. Les criblages initiaux utilisant des laccases fongiques libres de diverses origines et degrés de pureté n'ont pas permis d'inactiver significativement les tétracyclines. Pour étendre leur potentiel oxydatif, un criblage systématique de quatre systèmes laccase-médiateur a été mené à travers 360 conditions expérimentales. Ces essais ont utilisé la laccase purifiée de Pycnoporus cinnabarinus. Les médiateurs évalués comprenaient l'ABTS, l'HBT, le syringaldéhyde (SAD) et l'acide syringique (SAC). Les dosages enzymatiques, les ratios médiateur/substrat et les temps de réaction ont été systématiquement variés. Une approche haut débit originale a été développée pour suivre l'activité antimicrobienne résiduelle pendant la biotransformation de la doxycycline, choisie comme composé modèle. Une stratégie analytique globale a combiné des tests antimicrobiens, la déconvolution spectroscopique UV-Vis et la chromatographie en phase liquide. Cette approche a permis d'élucider avec succès les mécanismes de réaction sous-jacents. De manière cruciale, les tests antimicrobiens ont révélé que la chimie du médiateur régit la réduction de l'activité résiduelle selon l'ordre ABTS > SAD > HBT > SAC. De plus, des intermédiaires radicaux transitoires augmentent temporairement l'activité antimicrobienne. En revanche, des zones d'atténuation spécifiques apparaissent dans le système médié par le SAD à de faibles concentrations d'enzyme. Cette réduction représente une diminution allant jusqu'à 15 000 fois par rapport aux moyennes de la littérature. Ces résultats mettent en évidence le potentiel biotechnologique des médiateurs biosourcés pour minimiser efficacement la consommation de biocatalyseur. Par ailleurs, l'immobilisation covalente de l'enzyme sur des microparticules de silice permet d'étendre la stabilité opérationnelle sous conditions catalytiques de 3 à 11 jours. Cette amélioration a été obtenue dans une gamme élargie de pH allant de 3,0 à 5,0. Ce biocatalyseur hétérogène a maintenu des performances stables sur 20 cycles consécutifs de dégradation de l'ABTS. Il a conservé jusqu'à 80 % de son efficacité à un pH optimisé de 5,5. Globalement, ce travail établit une plateforme rigoureuse pour l'évaluation des traitements enzymatiques. Il démontre une biotransformation à haute efficacité tout en surmontant les verrous techniques liés à la réutilisabilité et à la stabilité opérationnelle des enzymes.
Mots clés : Antibiotiques, procédés d'oxydation, enzymes, traitement de l'eau, résistance aux antimicrobiens.
Jury
Dominique PATUREAU INRAE, LBE - Rapporteure
Philippe MICHAUD Université Clermont Auvergne - Rapporteur
Christophe DAGOT Université de Limoges - Président
Stephan BROSILLON Université de Montpellier II - Examinateur
Cristian BARCA Aix-Marseille Université - Directeur de thèse
Giuliano SCIARA INRAE, BBF - Co-directeur de thèse
10 mars 2026
- Optimisation géométrique des échangeurs de chaleur et des réacteurs associée à la minimisation de l'irréversibilité et à la théorie de l'équipartition / Soutenance de thèse Shuxin Zheng
Doctorante : Shuxin ZHENG
Date et lieu : le mardi 10 mars 2026 à 14h00 dans l’Amphithéâtre du Cerege du Technopôle de l'Arbois-Méditerranée
Résumé : Cette étude examine l'effet de la géométrie sur l'efficacité énergétique des échangeurs de chaleur et des réacteurs en appliquant des méthodes de minimisation de la génération d'entropie. Dans un échangeur de chaleur / réacteur concentrique à double enveloppe, quatre diamètres sont optimisés tandis que la chaleur échangée est maintenue constante pour déterminer la longueur afin de minimiser l’irréversibilité totale. Les résultats montrent que les variations géométriques permettent de la réduire. En outre, l'étude examine également l'influence du débit du fluide sur l’irréversibilité et la géométrie optimale correspondante. Dans un réacteur à double enveloppe tubulaire, avec un avancement de réaction de sortie constante, la génération d’entropie du réacteur est minimisée en variant la géométrie du réacteur de différentes formes (cylindrique, conique, hyperbolique et sinusoïdale). Les effets du débit du fluide caloporteur et du mélange réactionnel, de la concentration, de la température des réactifs et de la chaleur de réaction sur l’irréversibilité ont également été étudiés. Une solution bidimensionnelle est utilisée pour analyser la distribution du taux de génération d'entropie à l’aide du logiciel COMSOL Multiphysics. En tant que grandeur associée aux flux, le taux de génération d’entropie locale est déterminé par la somme de la contribution des échanges de chaleur, des dissipations visqueuses et de la réaction chimique. Une comparaison de la distribution de cette valeur locale et des forces motrices est faite entre les géométries optimales et défavorables. Les résultats montrent que dans la configuration optimale, qui minimise la génération d'entropie totale, les distributions de force et de taux de génération d'entropie locale sont plus uniformes, ce qui va dans le sens de la théorie d’équipartition.
Mots clés : Minimisation de la génération d'entropie ; Modélisation ; Équipartition
