Biofiltration of methane and styrene mixtures in inorganic biofilters with recycled nutrient solution

Abstract

Le méthane (CH4), important gaz à effet de serre (GES), a des effets néfastes sur l'environnement en raison de son potentiel de réchauffement global (PRG). Toute mesure conduisant à une réduction des émissions de CH4 mérite d’être encouragée afin de limiter les effets du changement climatique sur la planète. Le procédé de biofiltration est une approche prometteuse pour l'élimination des émissions de CH4 (concentrations inférieures à 5% v/v). Les micro organismes, contenus dans le biofiltre, ont besoin de nutriments supplémentaires, qui sont généralement ajoutés sous forme d’une solution nutritive (NS). L'excès de NS, quittant le biofiltre sous forme de lixiviat, doit être traité dans des stations de traitement des eaux usées (STEP). Le méthane émis par les stations d'épuration, les sites d’enfouissement, les raffineries et les complexes pétrochimiques peut être accompagné de composés aromatiques tels que des vapeurs de styrène (C8H8). Le styrène est un composé cancérigène qui doit être traité comme un gaz résiduel. La présence d’un mélange de CH4 et de C8H8 dans un biofiltre peut entraîner certaines limitations dans les performances du bioprocédé, en raison des effets inhibiteurs du C8H8 sur la biodégradation du CH4. L'objectif principal de cette étude est de réduire la production de lixiviat et d'examiner la capacité du procédé de biofiltration lors du traitement d'un mélange de CH4 et de C8H8. Premièrement, une revue de la littérature a été effectuée sur la production de CH4 dans les stations d'épuration et les réseaux de canalisation des eaux usées, en tant que source mondiale croissante d'émissions de GES, et sur les approches potentielles permettant la bioélimination du CH4. Deuxièmement, deux biofiltres de 18 L (B1 et B2) remplis d’un garnissage inorganique ont été exploités pendant 283 jours sous un temps de résidence en fût vide (EBRT) constant de 6 min et des charges à l'entrée (IL) de CH4 de 7 à 63 g m-3 h-1. Le biofiltre B1 a été alimenté avec une NS fraîche chaque jour et B2 a été entretenu avec une NS recyclée à partir d'un réservoir de 10 L afin de réduire l’utilisation de NS (les deux biofiltres ont été alimentés avec 2 L d-1 de NS, débit volumique de 1 L min-1). Une conversion maximale de CH4 de 66% (IL de 13 g m 3 h 1) pour B1 et de 67% (IL de 30 g m 3 h 1) pour B2 a été observée. Troisièmement, quatre biofiltres à flux ascendant également remplis d’un garnissage inorganique ont été étudiés à un débit d'air constant de 3 L min-1 pour examiner l'effet du C8H8 sur la biofiltration du CH4. Différentes ILs de CH4, variant dans une plage de 7 à 60 g m 3 h 1, ont été évaluées dans ces biofiltres en utilisant des ILs constantes de C8H8 (B-ME (C8H8 IL de 0 g m 3 h 1), B-200 (C8H8 IL de 9 g m-3 h-1), B-500 (C8H8 IL de 22 g m-3 h-1) et B 700 (C8H8 IL de 32 g m-3 h-1)). Les biofiltres ont été irrigués avec une NS recyclée (débit de 1 L min-1) à partir d'un réservoir de 20 L. Des conversions de C8H8 variant entre 64 et 100% ont été obtenues en augmentant les ILs de CH4 et de C8H8 de 7 à 60 g m-3 h-1 et de 0 à 32 g m 3 h-1, respectivement. Plus de 90% du C8H8 a été éliminé dans les sections basses et centrales des biofiltres. Une étude macro-cinétique basée sur le modèle de Michaelis-Menten a confirmé qu'une inhibition non compétitive s'est produite lors de la biofiltration du mélange CH4+C8H8.

Abstract: Methane (CH4), as an important greenhouse gas (GHG), has harmful effects on the environment due to its global warming potency (GWP). Any effort leading to a decline in the emission of CH4 could be a worthy step in order to prevent the planet’s climate change. Biofiltration process is a promising approach for CH4 elimination (concentrations below 5% v/v). Microorganisms in a CH4 biofilter need supplementary nutrients, which are usually added as a nutrient solution (NS). The excess NS leaves the biofilter as leachate, which has to be treated in wastewater treatment plants (WWTPs). Methane emitted from WWTPs, landfills, refineries and petrochemical complexes could be accompanied by aromatic compounds such as styrene (C8H8) vapors. Styrene is a carcinogenic compound and should be treated as a waste gas. Presence of CH4 and C8H8 as a mixture in a biofilter may result in some limits for the bioprocess’s performance, due to the inhibitory effects of C8H8 on CH4 biodegradation. The main objective of this study is to reduce the production of leachate and examine the capability of biofiltration process when treating a mixture of CH4 and C8H8. Firstly, a literature review was provided on the production of CH4 in WWTPs and sewer networks, as a growing worldwide source of GHG emission, and on the potential approaches for CH4 bioelimination. Secondly, two 18 L biofilters (B1 and B2) packed with inorganic materials were operated for 283 days under a constant empty bed residence time (EBRT) of 6 min at CH4 inlet loads (ILs) of 7 to 63 g m-3 h-1. Biofilter B1 was fed with a fresh NS every day and B2 was fed with a recycled NS from a 10 L tank in order to use less NS (both were supplied with 2 L d-1 NS, flow rate of 1 L min-1). Maximum CH4 removal efficiency (RE) of 66% (IL of 13 g m-3 h-1) for B1 and 67% (IL of 30 g m-3 h-1) for B2 was observed. Thirdly, four upflow biofilters also packed with inorganic materials were operated at a constant airflow rate of 3 L min-1 to examine the effect of C8H8 on the CH4 biofilters. Different CH4 ILs varying in the range of 7 to 60 g m-3 h-1 were evaluated in biofilters with constant flow of C8H8. B-ME (C8H8 IL of 0 g m-3 h-1), B-200 (C8H8 IL of 9 g m-3 h-1), B-500 (C8H8 IL of 22 g m-3 h-1) and B-700 (C8H8 IL of 32 g m-3 h-1) were irrigated with recycled NS (1 L d-1, flow rate of 1 L min-1) from a 20 L tank. The C8H8 REs varying between 64 and 100% were obtained at CH4 ILs increasing from 7 to 60 g m-3 h-1 and for C8H8 ILs range of 0 to 32 g m-3 h-1. More than 90% of C8H8 was removed in biofilters’ bottom and middle beds. A macrokinetic study based on the Michaelis-Menten model confirmed that an uncompetitive inhibition occurred during CH4+C8H8 biofiltration.