Inactivation bactérienne par photocatalyse hétérogène

La raréfaction de l’eau conduit bien souvent les pays à se tourner vers des modes d’approvisionnement alternatifs. La réutilisation des eaux usées traitées (REUT) en fait partie. La REUT recouvre deux notions, d’abord le traitement des eaux usées ensuite la réutilisation proprement dite. Ce concept est actuellement en pleine croissance pour différentes activités. En effet, contrairement aux autres pays européens dont la législation permettait l’exploitation des eaux usées, la France, suite à l’arrêté du 2 août 2010, ne permet que très récemment l’exploitation de cette ressource. Dans des zones de fortes contraintes en matière de disponibilité des eaux, cette pratique permet d’irriguer des cultures et espaces verts, contribue à préserver la qualité de l’environnement, évite de prélever l’eau des rivières en période d’étiage où le débit est réduit, limite la surexploitation des nappes entraînant l’assèchement de certaines zones humides et empêche les rejets estivaux directs en protégeant les zones d’usages sensibles en aval (baignade et loisirs nautiques …).

Les eaux usées sont celles rejetées par les collectivités, les industries et les particuliers. Elles sont généralement chargées en polluants organiques (17-β Estradiol, Estriol, Bisphénol A,…) et inorganiques (Zinc, Bore, Aluminium, Cadmium, Mercure,…), mais aussi en microorganismes (bactéries, virus, protozoaires, helminthes). L’usage de ce type d’eau à l’état brut est ainsi fortement déconseillé car vecteur d’un risque sanitaire important pour l’homme et l’environnement. Pour limiter au mieux ces problèmes, les eaux usées sont envoyées dans des stations d’épuration (STEP) qui sont un ensemble de dispositifs conçus pour traiter, au fur et à mesure, les différents polluants. L’assemblage de tous ces procédés est aussi connu sous le nom de filière de traitement. Une STEP « classique » est composée d’équipements de prétraitements, d’un traitement primaire, suivi par un traitement secondaire (biologique). Le taux de dépollution atteint par cette simple organisation peut suffire pour répondre aux normes de rejets en milieu naturel. Les rendements de stations récentes peuvent atteindre 90% d’abattement de pollution. Cependant, dans une perspective de réutilisation, un traitement tertiaire visant à éliminer les pollutions persistantes et microbiennes s’avère nécessaire. Ce traitement concerne éventuellement une étape de désinfection qui consiste à réduire, voir éliminer les agents microbiens pour répondre aux normes fixées par l’arrêté du 2 août 2010.

Avec pour objectif d’améliorer la qualité microbiologique des eaux usées en sortie de STEP, de nouveaux procédés tertiaires ont vu le jour : les procédés d’oxydation avancée (POA). Ces procédés, fonctionnant à température et pression proches des conditions ambiantes, mettent en œuvre une activation chimique, catalytique, ou photochimique pour activer par exemples le peroxyde d’hydrogène (H2O2), l’oxygène (O2) ou un photocatalyseur solide et induire la formation d’espèces fortement oxydantes telles que les radicaux hydroxyles (OH°) [Zhou et Smith, 2001 ; Suty et al., 2003]. Ce dénominateur commun, qui est la production d’espèces radicalaires extrêmement oxydantes et réactives, permet d’atteindre des niveaux d’oxydation poussés pour les microorganismes difficiles à éliminer par les procédés de traitement conventionnels. Ces procédés d’oxydation sont aujourd’hui de plus en plus envisagés dans le paysage industriel pour des applications de désinfection des eaux usées en tant que traitements tertiaires.

Parmi les procédés de désinfection par oxydation avancée, une technique semble donner des résultats probants, la photocatalyse hétérogène [Cho et al., 2004 ; Fernandez et al., 2005, Gumy et al. 2006 ; Ochuma et al., 2007 ; Malato et al., 2009]. Cette technique de traitement est basée sur la production de radicaux hydroxyles via la photo-excitation d’un semiconducteur solide, placé directement sous rayonnement UV. Le semi conducteur peut être utilisé sous la forme de poudre nanométrique mise en suspension ou fixé sur un support solide [Elatmani, 2013 ; Kacem et al., 2014]. Il existe aujourd’hui un consensus autour de l’utilisation du catalyseur en suspension comme catalyseur de référence. Cependant, la forme pulvérulente pose le problème de la séparation liquide-solide en fin de traitement. Les axes de développement s’orientent donc vers l’utilisation des médias catalytiques supportés [Kikuchi et al., 1997 ; Huang et al., 1998 ; Rincon et Pulgarin, 2003 ; Sunada et al., 2003].

Par ailleurs, dans un contexte de développement durable, le transfert de cette technologie existante sous irradiation UV artificielle vers une utilisation de l’énergie solaire semble prometteur. Cependant, l’utilisation de l’énergie solaire pose deux contraintes à savoir la gestion des intermittences et la disponibilité de la ressource dans le domaine UV. En effet, les catalyseurs actuels ne sont sensibles qu’au rayonnement UV, soit à des longueurs d’onde  inférieures à 400 nm. Or ce domaine, qui ne représente que 5% du spectre solaire, correspond à 50 W.m⁻² dans les conditions d’ensoleillement les plus favorables. L’intermittence et la discontinuité de la ressource imposent également de mettre en place un outil de simulation pour décrire les conditions de fonctionnement du réacteur. La modélisation de la désinfection par photocatalyse hétérogène constitue à ce titre une étape essentielle dans la phase de développement vers une application à une échelle plus importante. Celle-ci permet de prendre en compte les variations du rayonnement dues aux cycles journaliers et saisonniers dans la prédiction du fonctionnement de ce type de procédé.

L’étude présentée dans ce mémoire cible la photocatalyse hétérogène couplant le rayonnement UV (artificiel et solaire) et l’utilisation d’un photocatalyseur (TiO2) au sein d’un réacteur. L’objectif principal est d’évaluer le potentiel de la photocatalyse hétérogène en tant que traitement tertiaire pour la désinfection des eaux usées. Cette tâche s’avère difficile du fait que les effluents contiennent une large variété de microorganismes indisérables et qu’il n’est pas possible de tous les dénombrer individuellement. Dans ce cadre, l’arrêté du 2 août 2010 relatif à la réutilisation des eaux usées traitées (en France) propose la recherche de germes indicateurs d’efficacité de traitement. Ces indicateurs présentent des persistances dans l’eau proches de celles des principaux organismes pathogènes constituants les eaux usées. En vue de travailler dans un premier temps sur un cas simplifié, cette étude sera ciblée sur un indicateur d’origine bactérienne, à savoir Escherichia coli. Cette bactérie est indicatrice de contamination fécale. Elle est prédominante dans les eaux usées, facilement manipulable et est largement étudiée dans la littérature [Wei et al., 1994 ; Bekbolet et Araz, 1996; Huang et al., 2000; Wist et al., 2002 ; Kuhn et al., 2003 ; Rincon et al., 2004 ; Malato et al., 2009 ; Pigeot-Rémy et al. 2011 ; Kacem et al., 2014]. Le traitement de cette bactérie cible sera suivi principalement par une méthode de culture spécifique à la détection d’E. coli, la microplaque MUG/E. coli.

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Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
I-Présentation des eaux usées
I-1 Contamination chimique
I-2 Contamination microbiologique
I-2-1 Les virus
I-2-2 Les protozoaires
I-2-3 Les helminthes
I-2-4 Les bactéries
I-2-4-1 Structure et classification
I-2-4-2 Les bactéries pathogènes
II-Procédés de traitement des eaux usées
II-1 Notion d’indicateur d’efficacité de traitement
II-2 Procédés de traitement conventionnels
II-2-1 Le traitement primaire
II-2-2 Le traitement secondaire
II-2-3 Le traitement tertiaire
III- La photocatalyse hétérogène : un procédé d’oxydation avancée (POA)
III-1 Généralité sur les POA
III-2 Principe de la photocatalyse hétérogène
III-3 Mécanismes de la photocatalyse hétérogène
III-4 Le semi-conducteur TiO2
III-5 Paramètres physico chimiques influençant la photocatalyse hétérogène
III-5-1 Influence de la concentration et de la mise en forme du catalyseur
III-5-2 Influence du flux photonique incident
III-5-3 Influence de la composition du milieu aqueux
III-6 Application de la photocatalyse hétérogène à la désinfection dans l’eau
III-6-1 Les études sur la désinfection
III-6-2 Vers l’utilisation du rayonnement solaire pour la désinfection des eaux
III-7 Mécanismes de la désinfection par photocatalyse hétérogène
III-7-1 Effet photolytique
III-7-2 Effet photocatalytique
III-8 Modélisation du processus de désinfection par photocatalyse hétérogène
III-9 Conditions de mesure et évaluation de la réduction microbienne
CONCLUSION GENERALE

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