Development and implementation of the Bio-electro-Fenton process : application to the removal of pharmaceuticals from water

Les procedes electrochimiques d'oxydation avancee constituent une technologie efficace pour traiter les produits pharmaceutiques car ils permettent la formation d'oxydants puissants tels que les radicaux hydroxyles capables d'eliminer presque tout type de contaminants organiques grâce a leur tres haut pouvoir oxydant. Parmi eux, l’electro-Fenton et l’oxydation anodique sont des methodes respectueuses de l'environnement car ils n'utilisent aucun reactif chimique (oxydation anodique) ou uniquement l'oxygene de l'air et des ions fer en tant que catalyseur (electro-Fenton).Dans cette these, quatre produits pharmaceutiques appartenant a des familles differentes ont ete selectionnes en fonction de leur toxicite et de leur presence dans les eaux de l'environnement. Leur elimination de l'eau a ete effectuee par electro-Fenton. Les objectifs de ce travail etaient de determiner (i) les meilleures conditions operatoires a l’echelle du laboratoire (courant et concentration du catalyseur), (ii) la cinetique de degradation et de mineralisation et enfin (iii) de proposer une voie de mineralisation basee sur des intermediaires aromatiques, des acides carboxyliques et des ions liberes dans la solution.Comme ces traitements ont ete appliques avec succes, un reacteur pilote compose alternativement d'anodes en BDD et de cathodes en feutre de carbone, dote d’un systeme d'aeration et fonctionnant en mode continu a ete construit pour evaluer la faisabilite d’un changement d’echelle et se diriger vers une pre-industrialisation du procede. Differentes configurations d'electrodes ont ete testees. Le debit et le courant se sont averes etre plus influents sur le taux de mineralisation et sur la consommation d'energie, respectivement. Pour mieux comprendre le role du debit et des configurations, une etude hydrodynamique a ete realisee. Le modele hydrodynamique a ete associe a un modele cinetique de mineralisation afin d'obtenir un modele permettant de predire le pourcentage de mineralisation a differentes positions a l'interieur du reacteur en regime permanent. Ainsi, ce modele peut aider a optimiser les conditions operatoires et a dimensionner les futurs reacteurs en fonction de l’objectif de mineralisation du traitement (taux de mineralisation eleve, traitement combine, flux eleve,…).Afin de reduire les couts operatoires, la combinaison d’un procede electrochimique et d’un traitement biologique a ensuite ete etudiee. Afin d’obtenir un traitement combine efficace, il a ete constate que le traitement electrochimique devait (i) degrader l'hydrochlorothiazide (ii) reduire de maniere significative la concentration de ses intermediaires aromatiques car ils inhibent de maniere significative l'activite bacterienne, (iii) favoriser la formation de molecules biodegradables telles que les acides carboxyliques. La biodegradation de quatre acides carboxyliques formes lors du traitement par electro-Fenton de l'hydrochlorothiazide a egalement ete etudiee. Il a ete demontre qu'ils etaient degrades de maniere sequentielle avec differentes phases de latence et cinetiques de degradation. Ainsi, pour les mineraliser, un reacteur de type «piston» est recommande. La combinaison de traitement a ensuite ete appliquee a un traitement electrochimique effectue a faible courant avec une anode en BDD et une anode en Platine. Un degre de mineralisation de 38 et 50% a ete obtenu par le traitement biologique permettant d'atteindre un taux de mineralisation global de 66 et 85% avec les anodes en BDD et Platine respectivement. Ainsi, cette combinaison de traitement a ete un succes, un changement d’echelle du procede peut alors etre envisage.