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Utilisation de Pile à Combustible
Microbienne pour le traitement des
eaux usées
Présenté par : Davies Baldwin
Encadré par: Pr. Skhali
Le : 27/06/2014
POJET DE FIN D’ETUDE
LICENCE PROFESSIONELLE EN TECHNIQUES DE
L’ENVIRONNEMENT
OPTION: TRAITEMENT DES EAUX ET DES DECHET SOLIDES
Introduction
Conclusion
Historique et définition de la PAC et PACM
Structure Constituant et
Fonctionnement PAC et PACM
Expérimente de Méthode de Traitement des Eaux
Usées Industrielles par la PACM
Recommendation d'utilisation
Domaines d’Application
1
La pile à combustible microbienne est une future source
d’énergie renouvelable. Elle transforme les déchets
organiques en électricité et est particulièrement indiquée
pour rentabiliser la gestion énergétique des stations
d’épuration des eaux usées. Il s’agit, de plus, d’une
technologie de production d’énergie polyvalente.
Les différentes applications, telles que la génération de
biohydrogène et le recyclage du phosphate, permettent
d’envisager la réalisation d’une station d’épuration.
I. Introduction
2
Introduction
Piles à combustible microbiennes fournissent une méthode
alternative pour la production simultanée d'énergie et de
traitement des eaux usées. Dans une consommation de
PACM de composés organiques par des micro-organismes à
l'anode est accompagnée par le transfert d'électrons de
l'anode et de la libération de protons.
L'exigence de haute énergie des systèmes de traitement des
eaux usées conventionnelles sont exigeant pour la
technologie alternative de traitement qui sera rentable et
nécessitent moins d'énergie pour son fonctionnement
efficace.
Historique
3
Le botaniste Michael Cresse Potter a découvert en 1911
qu’une électrode de platine placée dans des cultures de
levures ou d’Escherichia coli était capable de générer une
force électromotrice ou une différence de potentiel.
Dans cette communication, Potter arrive à la conclusion que
de l’énergie électrique peut être libérée de la désintégration
microbienne des composés organiques. Cette observation a
été confirmée 20 ans plus tard en 1931 par l’équipe de
Cohen à Cambridge qui a développé des batteries à
combustible microbiennes en série capables de générer des
tensions de plus de 35 V.
Historique
4
Au début des années 2000, la pile microbienne a connu
un nouvel essor avec les travaux de chercheurs de
l’Université du Massachusetts qui ont utilisé un
dispositif constitué d’une électrode immergée connectée
à une seconde enfouie dans les sédiments marins.
Les PACM permettraient d’assurer une double fonction:
produire de l’électricité tout en intensifiant les procédés
de traitement des effluents par accélération de la
dégradation de la matière organique.
Définition de la PAC
5
Une pile à combustible (PAC)
est un dispositif électrochimique qui transforme l’énergie chimique
en énergie électrique tant qu’un combustible et un oxydant sont
fournis. Elle fonctionne par l’oxydation d’un combustible sur l’anode
avec le transfert concomitant des électrons vers le matérial de
l’électrode.
Structure Constituant et Fonctionnement PAC
6
Principale Constituants :
Ion , Anode ,
Cathode, Électrolyte
Structure Constituant et Fonctionnement PAC
Principe de fonctionnement d'une pile à combustible
alimentée en hydrogène (H2) et en oxygène (O2). Le
produit de la réaction chimique générant une différence de
potentiel se compose uniquement d'eau (H2O). L'azote
était quant à lui déjà présent dans l'air qui est entré dans le
système.
Facteurs qui empêchent les performances de la pile à
combustible: Effet sur la force ionique, la température, l’écartement
des électrodes, les matériaux de cathode.
7
8
Une pile à combustible microbienne (PACM) ou de la
pile à combustible biologique est un système de bio-
électrochimique qui conduit un courant à l'aide de bactéries
et de mimer les interactions bactériennes présentes dans la
nature.
Elle permet, tout en produisant de l’électricité, d’assurer
l’épuration biologique de composés organiques continues
dans les eaux usées.
II. Définition de la PACM
Structure Constituant et Fonctionnement PACM
De façon générale les composants des piles microbiennes étudiés à
échelle du laboratoire sont :
les électrodes ; une résistance externe ; une membrane échangeuse
d’ions ; un compartiment anodique contenant un anolyte;
un compartiment cathodique contenant un catholyte.
9
10
Domaines d’Application
 Traitement des effluents industriels et agricoles
 Traitement des eaux usées (station d’épuration)
 Autonomie énergétique
 Valorisation des déchets
 Production d’énergie
Expérimente de Méthode et Matériels: Traitement des
Eaux Usées Industrielles par la PACM
11
Expérimente de Méthode et Matériels: Traitement des
Eaux Usées Industrielles par la PACM
11
12
Les eaux usées industrielles sont recueillies à partir de l'effluent du
clarificateur primaire de l'usine de traitement des eaux usées à
Golden, Colorado
Le réacteur de commande utilisé un conteneur de même type,
mais sans aucun équipement d'aération ou de l'électrode installé.
Tous les réacteurs sont exploités en mode fed-batch à la
température ambiante et exposés à l'air ambiant.
Le réacteur PACM est passé par une période initiale d'inoculation de
7 jours avant les eaux usées sont remplacé et des mesures prises. Les
eaux usées a été utilisée comme inoculum et le substrat unique pour
les trois réacteurs et Aucune solution tampon supplémentaire est
ajouté..
Expérimente de Méthode et Matériels: Traitement des
Eaux Usées Industrielles par la PACM
13
Expérimente de Méthode et Matériels: Traitement
des Eaux Usées Industrielles par la PACM
Tous les réacteurs ont exploités jusqu'à ce que > 90% de réduction de
la DCO a été atteint, alors les eaux usées a été remplacé pour une
série de trois essais.
Le Pertinence du temps de rétention des boues (SRT) de la
commande est d'environ 25 jours, à proximité de lagunes de
stabilisation traditionnels.
Ces résultats suggèrent que, en prévoyant une anode et une cathode
immergée flottante, la configuration PACM facilité de manière
significative, le taux d'oxydation du substrat à proximité de
l'opération d'aération, mais sans apport d'oxygène extérieur.
Expérimente de Méthode et Matériels: Traitement
des Eaux Usées Industrielles par la PACM
Cette observation peut être interprétée en utilisant les différentes
natures de dégradation entre les systèmes de croissance en
suspension et systèmes de croissance fixés.
Cependant, lorsque la concentration en DCO a diminué à environ
275 mg /l ou moins, le taux d'élimination du réacteur d'aération a
diminué à une moyenne de 12,6 mg /l.
‘’Enlèvement de l'efficacité de l'ammoniac et de nitrate’’
14
15
Recommandations d’Utilisation
La technologie PACM peut fournir une nouvelle méthode pour
compenser coût d'exploitation d'usine de traitement des eaux usées,
traitement des eaux usées faisant plus abordable pour les
développés et en développement.
La possibilité de conversion directe de la matière organique dans les
eaux usées à la bioélectricité est passionnant, mais fondamentale
compréhension de la microbiologie et la poursuite du
développement de la technologie est nécessaire.
Avec l'amélioration continue de la pile à combustible microbienne,
il peut être possible d'augmenter le taux de production d'énergie et
réduire leur coût de production et d'exploitation.
16
Recommandations d’Utilisation
Facteurs d’inconvénients :
 Résistance interne élevée
 Des matérielles à Coût élevé
 Difficulté dans l’élargissement
 Diffusion de l'oxygène de la cathode à l'anode
 Des conditions anaérobies qui sont Eliminé
17
Conclusion
La technologie PAC et PACM peut fournir une nouvelle méthode
pour compenser le coût d'exploitation d'usine de traitement des eaux
usées, ce qui rend le traitement des eaux usées plus abordable pour
les développés et en développement.
Avec l'amélioration continue de la pile à combustible microbienne, il
peut être possible d'augmenter le taux de production d'énergie et
réduire leur coût de production et d'exploitation.
Elle réduit également de manière significatif la production de boues,
ce qui peut réduire la taille de décanteur secondaire.
18
Conclusion
Elle porte un grand potentiel comme un processus positif de
l'énergie, car il permet d'économiser 100% de l'énergie d'aération
de l'électricité supplémentaire.
Elles pourraient ouvrir des opportunités pour le traitement des
effluents.
Le challenge serait donc d’essayer d’améliorer ces performances
et les couts d’achat des matériaux.
Les résultats de cette étude ont montré que la pile à combustible
microbienne peut être une technologie viable pour traiter les eaux
usées.
différents types de traitement des eaux usées ( ishedd)

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  • 1. Utilisation de Pile à Combustible Microbienne pour le traitement des eaux usées Présenté par : Davies Baldwin Encadré par: Pr. Skhali Le : 27/06/2014 POJET DE FIN D’ETUDE LICENCE PROFESSIONELLE EN TECHNIQUES DE L’ENVIRONNEMENT OPTION: TRAITEMENT DES EAUX ET DES DECHET SOLIDES
  • 2. Introduction Conclusion Historique et définition de la PAC et PACM Structure Constituant et Fonctionnement PAC et PACM Expérimente de Méthode de Traitement des Eaux Usées Industrielles par la PACM Recommendation d'utilisation Domaines d’Application
  • 3. 1 La pile à combustible microbienne est une future source d’énergie renouvelable. Elle transforme les déchets organiques en électricité et est particulièrement indiquée pour rentabiliser la gestion énergétique des stations d’épuration des eaux usées. Il s’agit, de plus, d’une technologie de production d’énergie polyvalente. Les différentes applications, telles que la génération de biohydrogène et le recyclage du phosphate, permettent d’envisager la réalisation d’une station d’épuration. I. Introduction
  • 4. 2 Introduction Piles à combustible microbiennes fournissent une méthode alternative pour la production simultanée d'énergie et de traitement des eaux usées. Dans une consommation de PACM de composés organiques par des micro-organismes à l'anode est accompagnée par le transfert d'électrons de l'anode et de la libération de protons. L'exigence de haute énergie des systèmes de traitement des eaux usées conventionnelles sont exigeant pour la technologie alternative de traitement qui sera rentable et nécessitent moins d'énergie pour son fonctionnement efficace.
  • 5. Historique 3 Le botaniste Michael Cresse Potter a découvert en 1911 qu’une électrode de platine placée dans des cultures de levures ou d’Escherichia coli était capable de générer une force électromotrice ou une différence de potentiel. Dans cette communication, Potter arrive à la conclusion que de l’énergie électrique peut être libérée de la désintégration microbienne des composés organiques. Cette observation a été confirmée 20 ans plus tard en 1931 par l’équipe de Cohen à Cambridge qui a développé des batteries à combustible microbiennes en série capables de générer des tensions de plus de 35 V.
  • 6. Historique 4 Au début des années 2000, la pile microbienne a connu un nouvel essor avec les travaux de chercheurs de l’Université du Massachusetts qui ont utilisé un dispositif constitué d’une électrode immergée connectée à une seconde enfouie dans les sédiments marins. Les PACM permettraient d’assurer une double fonction: produire de l’électricité tout en intensifiant les procédés de traitement des effluents par accélération de la dégradation de la matière organique.
  • 7. Définition de la PAC 5 Une pile à combustible (PAC) est un dispositif électrochimique qui transforme l’énergie chimique en énergie électrique tant qu’un combustible et un oxydant sont fournis. Elle fonctionne par l’oxydation d’un combustible sur l’anode avec le transfert concomitant des électrons vers le matérial de l’électrode.
  • 8. Structure Constituant et Fonctionnement PAC 6 Principale Constituants : Ion , Anode , Cathode, Électrolyte
  • 9. Structure Constituant et Fonctionnement PAC Principe de fonctionnement d'une pile à combustible alimentée en hydrogène (H2) et en oxygène (O2). Le produit de la réaction chimique générant une différence de potentiel se compose uniquement d'eau (H2O). L'azote était quant à lui déjà présent dans l'air qui est entré dans le système. Facteurs qui empêchent les performances de la pile à combustible: Effet sur la force ionique, la température, l’écartement des électrodes, les matériaux de cathode. 7
  • 10. 8 Une pile à combustible microbienne (PACM) ou de la pile à combustible biologique est un système de bio- électrochimique qui conduit un courant à l'aide de bactéries et de mimer les interactions bactériennes présentes dans la nature. Elle permet, tout en produisant de l’électricité, d’assurer l’épuration biologique de composés organiques continues dans les eaux usées. II. Définition de la PACM
  • 11. Structure Constituant et Fonctionnement PACM De façon générale les composants des piles microbiennes étudiés à échelle du laboratoire sont : les électrodes ; une résistance externe ; une membrane échangeuse d’ions ; un compartiment anodique contenant un anolyte; un compartiment cathodique contenant un catholyte. 9
  • 12. 10 Domaines d’Application  Traitement des effluents industriels et agricoles  Traitement des eaux usées (station d’épuration)  Autonomie énergétique  Valorisation des déchets  Production d’énergie
  • 13. Expérimente de Méthode et Matériels: Traitement des Eaux Usées Industrielles par la PACM 11
  • 14. Expérimente de Méthode et Matériels: Traitement des Eaux Usées Industrielles par la PACM 11
  • 15. 12 Les eaux usées industrielles sont recueillies à partir de l'effluent du clarificateur primaire de l'usine de traitement des eaux usées à Golden, Colorado Le réacteur de commande utilisé un conteneur de même type, mais sans aucun équipement d'aération ou de l'électrode installé. Tous les réacteurs sont exploités en mode fed-batch à la température ambiante et exposés à l'air ambiant. Le réacteur PACM est passé par une période initiale d'inoculation de 7 jours avant les eaux usées sont remplacé et des mesures prises. Les eaux usées a été utilisée comme inoculum et le substrat unique pour les trois réacteurs et Aucune solution tampon supplémentaire est ajouté.. Expérimente de Méthode et Matériels: Traitement des Eaux Usées Industrielles par la PACM
  • 16. 13 Expérimente de Méthode et Matériels: Traitement des Eaux Usées Industrielles par la PACM Tous les réacteurs ont exploités jusqu'à ce que > 90% de réduction de la DCO a été atteint, alors les eaux usées a été remplacé pour une série de trois essais. Le Pertinence du temps de rétention des boues (SRT) de la commande est d'environ 25 jours, à proximité de lagunes de stabilisation traditionnels. Ces résultats suggèrent que, en prévoyant une anode et une cathode immergée flottante, la configuration PACM facilité de manière significative, le taux d'oxydation du substrat à proximité de l'opération d'aération, mais sans apport d'oxygène extérieur.
  • 17. Expérimente de Méthode et Matériels: Traitement des Eaux Usées Industrielles par la PACM Cette observation peut être interprétée en utilisant les différentes natures de dégradation entre les systèmes de croissance en suspension et systèmes de croissance fixés. Cependant, lorsque la concentration en DCO a diminué à environ 275 mg /l ou moins, le taux d'élimination du réacteur d'aération a diminué à une moyenne de 12,6 mg /l. ‘’Enlèvement de l'efficacité de l'ammoniac et de nitrate’’ 14
  • 18. 15 Recommandations d’Utilisation La technologie PACM peut fournir une nouvelle méthode pour compenser coût d'exploitation d'usine de traitement des eaux usées, traitement des eaux usées faisant plus abordable pour les développés et en développement. La possibilité de conversion directe de la matière organique dans les eaux usées à la bioélectricité est passionnant, mais fondamentale compréhension de la microbiologie et la poursuite du développement de la technologie est nécessaire. Avec l'amélioration continue de la pile à combustible microbienne, il peut être possible d'augmenter le taux de production d'énergie et réduire leur coût de production et d'exploitation.
  • 19. 16 Recommandations d’Utilisation Facteurs d’inconvénients :  Résistance interne élevée  Des matérielles à Coût élevé  Difficulté dans l’élargissement  Diffusion de l'oxygène de la cathode à l'anode  Des conditions anaérobies qui sont Eliminé
  • 20. 17 Conclusion La technologie PAC et PACM peut fournir une nouvelle méthode pour compenser le coût d'exploitation d'usine de traitement des eaux usées, ce qui rend le traitement des eaux usées plus abordable pour les développés et en développement. Avec l'amélioration continue de la pile à combustible microbienne, il peut être possible d'augmenter le taux de production d'énergie et réduire leur coût de production et d'exploitation. Elle réduit également de manière significatif la production de boues, ce qui peut réduire la taille de décanteur secondaire.
  • 21. 18 Conclusion Elle porte un grand potentiel comme un processus positif de l'énergie, car il permet d'économiser 100% de l'énergie d'aération de l'électricité supplémentaire. Elles pourraient ouvrir des opportunités pour le traitement des effluents. Le challenge serait donc d’essayer d’améliorer ces performances et les couts d’achat des matériaux. Les résultats de cette étude ont montré que la pile à combustible microbienne peut être une technologie viable pour traiter les eaux usées.