Dynamic Modeling and Intermittent Operation of a Flow-Through Microbial Electrolysis Cell

La pile microbienne électrolytique (MEC) représente une nouvelle technologie qui peut être appliquée pour le traitement des eaux usées combiné avec la production d'hydrogène ou de biogaz. La MEC est un dispositif bioélectrochimique, qui contient une anode et une cathode connectées à une alimentation externe. La modélisation dynamique et l'optimisation de réacteurs basés sur une MEC représentent plusieurs défis. Cette thèse commence par la présentation de la MEC de type « circuit équivalent électrique » (EEC), qui fournit un outil pour la surveillance en temps réel et permet l'estimation des paramètres de la MEC. Lors du traitement des eaux usées, une surveillance en continue des MEC est essentielle pour assurer des performances adéquates, et à cet égard, le modèle EEC le permet. Le modèle EEC de base implique deux résistances (R0 décrivant les pertes ohmiques et R1 les pertes d'activation) connectées en série avec la force électromotrice interne (FEI). De plus, la croissance du biofilm est représentée par la capacitance (C) connectée en parallèle avec R1. Ses paramètres électriques internes peuvent être estimés numériquement en minimisant la différence entre le courant théorique et mesuré de la MEC. De plus, les mêmes paramètres peuvent être estimés en utilisant une solution analytique du modèle EEC. Dans ce cas, la MEC doit être utilisée pendant une courte période (par exemple 1 à 2 minutes) avec une connexion intermittente de l'alimentation électrique. Une telle connexion est effectuée à des fréquences hautes et basses pour estimer R0 (à haute fréquence) et R1 et C (à basse fréquence). De plus, la FEI est estimée par la MEC dans des conditions de circuit ouvert. Pour démontrer l'approche proposée, des expériences ont été effectuées avec plusieurs concentrations de sources de carbone entrantes. Les paramètres électriques internes de la MEC ont été estimés à des intervalles de 6h. Le modèle EEC a permis de décrire avec succès la dynamique électrique de la MEC et de suivre les changements des paramètres électriques. Grâce à la simplicité du modèle, il peut être utilisé pour développer un système de surveillance et de diagnostic des MEC en temps réel. Un tel système de suivi en continu pourrait être essentiel au bon fonctionnement des systèmes de traitement des eaux usées à grande échelle basés sur les MEC. Les paramètres du modèle EEC fournissent un aperçu des performances des MEC soumises à diverses perturbations en temps réel. Cette thèse présente des résultats pour la surveillance en temps réel de MEC avec différentes concentrations influentes. Avec l'augmentation de la concentration de l'influent, il y a une diminution subséquente de la résistance interne de la MEC et une augmentation de la C interne. La thèse explique également en détail les performances à long terme de MEC sous connexion intermittente de l'alimentation électrique (mode marche/arrêt). Cette étude décrit une nouvelle approche pour atteindre une performance stable à long terme et maximiser l'élimination de la demande chimique en oxygène (DCO) dans une MEC. Dans l'approche proposée, la tension appliquée sur la MEC est périodiquement déconnectée, par exemple à une fréquence de 0,1 à 0,5 Hz et un rapport cyclique de 90 à 95%. Pour évaluer l'impact d'une telle intermittence de tension sur les performances de la MEC, des expériences ont été réalisées avec deux MEC à écoulement continu avec des électrodes de charbon activé granulaire. La stratégie d'exploitation d'une connexion intermittente a été appliquée à une MEC, tandis que l'autre a fonctionné à une tension fixe (MEC de contrôle). Un fonctionnement intermittent à long terme a entraîné une augmentation progressive de l'efficacité d'élimination de la DCO et du courant de la MEC avec le temps, tandis que la MEC de contrôle a montré des performances inférieures. De plus, en changeant la stratégie d'exploitation et en appliquant une connexion intermittente à la MEC de contrôle, ses performances ont été considérablement améliorées. L'amélioration des performances pendant la phase intermittente a été confirmée par la surveillance en continu de la résistance interne et de la C des MEC. Le mode de fonctionnement intermittent proposé peut être utilisé pour développer un système de traitement des eaux usées à haut débit basé sur les MEC. Un modèle bioélectrochimique dynamique d'une MEC, dont les compartiments anodiques et cathodiques sont connectés en série, est également présenté dans cette thèse. Le modèle peut être utilisé pour estimer le courant circulant dans la MEC et la concentration du substrat de l'effluent. Les paramètres du modèle sont obtenus par une procédure d'estimation des paramètres numériques. Les résultats de la simulation correspondent assez bien aux données expérimentales. La thèse comprend également un modèle de biofilm une dimension (1D), qui décrit les changements de distribution de la source de carbone dans le biofilm électrochimiquement actif à l'anode. Le modèle est capable de prédire le courant obtenu dans une MEC ayant une tension intermittente.