Élimination de l'hydrogène sulfuré du biogaz synthétique à l'aide de bioréacteurs à biofilm anoxiques

Abstract

The aim of this work was to develop and study anoxic bioreactors for the removal of re-duced inorganic sulfur compounds from liquid and gaseous waste streams. In addition, the aim was to enable process integration for the simultaneous treatment of H2S con-taminated gas streams and NO3--containing wastewater. The experiments related to sulfide oxidation in the liquid phase were conducted in two different attached growth bioreactors, i.e. a fluidized-bed reactor (FBR) and a moving bed biofilm reactor (MBBR), inoculated with the same mixed culture of sulfur-oxidizing nitrate-reducing (SO-NR) bacteria. The bioreactors were operated under different nitro-gen-to-sulfur (N/S) molar ratios using S2O32- and NO3- as an energy source and electron acceptor, respectively. Results revealed that both the FBR and MBBR achieved S2O32- removal efficiencies (RE) >98% and completely removed NO3- at an N/S ratio of 0.5. Under severe nitrate limitation (N/S ratio of 0.1), the S2O32- RE in the MBBR (37.8%) was higher than that observed in the FBR (26.1%). In addition, the MBBR showed better resilience to nitrate limitation than the FBR as the S2O32- RE was recovered to 94% with-in 1 day after restoring the feed N/S ratio to 0.5, while it took 3 days to obtain 80% S2O32- RE in the FBR. Artificial neural network models were successfully used to predict the FBR and MBBR performance, i.e. S2O32- and NO3- RE as well as sulfate production. The SO-NR biomass from the MBBR was used to inoculate an anoxic biotrickling filter (BTF), which was studied for simultaneous treatment of H2S and NO3- containing waste streams. In the anoxic BTF, a maximum H2S elimination capacity (EC) of 19.2 g S m-3 h-1 (99% RE) was obtained at an inlet H2S load of 20.0 g S m-3 h-1 (~500 ppmv) and an N/S ratio of ~1.7. As some NO3--containing wastewaters can also contain organic com-pounds, the anoxic BTF inoculated with Paracoccus versutus strain MAL 1HM19 was studied for the simultaneous treatment of H2S, NO3- and organic carbon containing waste streams. With this BTF, NO3- and acetate removal rates of 16.7 g NO3--N m-3 h-1 and 42.0 g acetate m-3 h-1, respectively, were achieved, which was higher than the val-ues observed in the BTF inoculated with the mixed culture of autotrophic SO-NR bacte-ria (11.1 g NO3--N m-3 h-1 and 10.2 g acetate m-3 h-1). Anoxic BTFs were operated under several transient conditions (i.e. varied gas and trickling liquid flow rates, intermittent NO3- supply and H2S shock loads) to evaluate the impacts of sudden changes that usu-ally occur in practical applications. The different transient conditions significantly affect-ed the H2S EC of the anoxic BTF. After applying H2S shock loads, the H2S RE fully re-covered to >99% within 1.7 days after resuming normal operation.In summary, the MBBR was more effective for the removal of S2O32- than the FBR, especially under nitrate limited conditions. Based on the short recovery times after expo-sure to transient-state conditions, the anoxic MBBR and BTF were found to be resilient and robust systems for removal of reduced sulfur compounds under autotrophic and mixotrophic conditionsL’objectif de cette étude a été de développer et étudier des bioréacteurs anoxiques pour l’élimination du soufre des flux de déchets liquides, et d’évaluer l’intégration du processus pour le traitement simultané des flux gazeux contaminés au H2S et des eaux usées contenant du NO3-.Les expériences relatives à l’oxydation du soufre dans la phase liquide ont été évaluées dans deux bioréacteurs à croissance fixe différents, à savoir un réacteur à lit fluidisé (RLF) et un réacteur filtrant sur lit mobile (RFLM), inoculés par une bactérie ayant la capacité de réduire les nitrates et d’oxyder le soufre (SO-NR). Les bioréacteurs ont été évalués sous différent ratios molaires azote/soufre (N/S) en utilisant le S2O32- et le NO3- comme source d’énergie et accepteur d’électrons, respectivement. Les résultats ont révélé que le RLF et le RFLM sont parvenus à des capacités d’extraction (CE) du S2O32- supérieures à 98 %, et à extraire complètement le NO3- au ratio N/S de 0,5. En conditions de forte limitation en nitrate (ratio N/S de 0,1), la CEx du S2O32- dans le RFLM (37,8 %) était supérieure à celle observée dans le RLF (26,1 %). En conséquence, le RFLM a montré une meilleure résilience à la limitation en nitrate que le RLF puisque la CEx du S2O32- a été ramenée à 94 % en une journée après restauration du ratio N/S à 0,5, alors que le RLF a pris 3 jours pour obtenir une CEx de 80 % pour le S2O32-. Les modèles de réseau neuronal artificiel ont pu être utilisés pour prédire les performances du RLF et du RFLM, à savoir la CE du S2O32- et du NO3-ainsi que la production de sulfate. La biomasse SO-NR développée dans le RFLM a été utilisée pour traiter simultanément les flux de déchets contenant du H2S et du NO3- dans un biofiltre (BF) anoxique. Le BF anoxique a obtenu une capacité d’élimination (CEl) maximale du H2S de 19,2 g de S m-3 h-1 (CEx) pour un apport de 20,0 g S m-3 h-1 (~500 ppmv) en H2S et un ratio N/S d’environ 1,7, respectivement. Comme certaines eaux usées contenant du NO3-peuvent contenir des produits organiques, le RLF anoxique inoculé avec du Paracoccus versatus souche MAL 1HM19 a été développé pour l’extraction simultanée du H2S, du NO3- et du carbone organique contenus dans les flux de déchets. Les résultats ont montré des taux d’extraction respectifs de 16,7 g NO3--N m-3 h-1 et 42,0 g d’acétate m-3 h-1, ce qui est supérieur aux valeurs observées dans le BF inoculé avec des autotrophes (11,1 g NO3--N m-3 h-1 et 10,2 g d’acétate m-3 h-1). Le BF anoxique a été opéré sous différentes conditions transitoires (i.e. gaz divers et plusieurs vitesses de flux de ruissellement liquides, un apport intermittent en NO3- et apports élevés en H2S) afin d’évaluer l’impact des modifications sur les variables du processus qui se produisent généralement dans les applications pratiques. Les différentes conditions transitoires ont significativement affecté la CEl du H2S dans le BF anoxique. En appliquant des apports élevés en H2S, la CEx du H2S a été presque totalement rétabli à 100 % dans les 40 heures suivant la reprise de l’opération normale. En résumé, le RFLM s’est montré plus efficace que le RLF pour l’extraction du S2O32. D’après un moment de récupération instantanée après tolérance des conditions transitoires, le RFLM anoxique et le RLF anoxique s’avèrent être de résilients et robustes systèmes de biofilms pour le traitement des composés soufrés réduits en conditions autotrophes et mixotrophe