Halogenated organic compounds have had widespread and massive applications in industry, agriculture, and private households, for example, as degreasing solvents, flame retardants and in polymer production. They are released to the environment through both anthropogenic and natural sources. The most common chlorinated solvents present as contaminants include tetrachloroethene (PCE, perchloroethene) and trichloroethene (TCE). These chlorinated solvents are problematic because of their health hazards and persistence in the environment, threatening human and environmental health. Microbial reductive dechlorination is emerging as a promising approach for the remediation of chlorinated solvents in aquifers. In microbial reductive dechlorination, specialized bacteria obtain energy for growth from metabolic dechlorination reactions that convert PCE to TCE, cis-1,2-dichloroethene (cDCE), vinyl chloride (VC), and finally to benign ethene. Field studies show incomplete dechlorination of PCE to ethene due to lack of electron donors or other populations competing for the electron donor. Mathematical models are good tools to integrate the processes affecting the fate and transport of chlorinated solvents in the subsurface. This thesis explores the use of modeling to provide a better understanding of the reductive dehalogenation process of chlorinated solvents and their competition with other microorganisms for available electron donors in continuous flow systems such as a continuous stirred tank reactor (CSTR) and a continuous flow column. The model is a coupled thermodynamic and kinetic model that includes inhibition kinetics for the dechlorination reactions, thermodynamic constraints on organic acids fermentation and has incorporated hydrogen competition among microorganisms such as homoacetogenesis, sulfate reducers and ferric iron reducers. The set of equations are coupled to those required for modeling a CSTR. The system of model equations was solved numerically using COMSOL 3.5 a, which employs finite-element methods. The kinetic model was verified by simulation results compared to previously published models and by electron balances. The simulation process progressed by simulating the anaerobic reductive dechlorination, coupled with thermodynamic limitation of electron donor fermentation in batch systems to the modeling of CSTR, and finally to simulate anaerobic reductive dechlorination in continuous flow column, aquifer column including the processes of advection, dispersion and sorption along with the microbial processes of dehalogenation, fermentation, iron and sulfate reduction. The simulations using the developed model captured the general trends of the chemical species, and a good job predicting the dynamics of microbial population responses either the CSTRs or continuous flow column. Although, the kinetic of anaerobic dechlorination processes of chlorinated solvents in those systems have been researched in the past, little progress has been made towards understanding the combined effects of the dechlorination and thermodynamic constraints in continuous flow systems. This work provides a rigorous mathematical model for describing the coupled effects of these processes. / Graduation date: 2012

Τα υγρά απόβλητα ελαιοτριβείου (ΥΑΕ) παράγονται κατά την εξαγωγή του ελαιόλαδου από τα παραδοσιακά και τα φυγοκεντρικά ελαιοτριβεία τριών φάσεων. Τα ΥΑΕ έχουν διαφορετικά χαρακτηριστικά τα οποία εξαρτώνται από τη διαδικασία παραγωγής και τον τύπο των ελιών που χρησιμοποιούνται. Τα περισσότερα ελαιοτριβεία στην Ελλάδα χρησιμοποιούν την τριφασική διαδικασία εξαγωγής του ελαιόλαδου. Παρόλα αυτά, κάποια καινούρια χρησιμοποιούν τη διφασική διαδικασία εξαγωγής του ελαιολάδου. Παραδοσιακά ελαιοτριβεία συνεχίζουν να υπάρχουν, αλλά σε μικρότερη έκταση. Τα ΥΑΕ αποτελούν ένα σημαντικό πρόβλημα για την περιοχή της Μεσογείου, όπου παράγεται το 95 % της παγκόσμιας παραγωγής ελαιολάδου, εξαιτίας της υψηλής τους συγκέντρωσης σε χημικά απαιτούμενο οξυγόνο (ΧΑΟ) και της ικανότητάς τους να αντιστέκονται στη βιοαποδόμηση εξαιτίας της υψηλής τους περιεκτικότητας σε φαινολικές ενώσεις. Αυτές οι ενώσεις οφείλονται για το μαύρο χρώμα και τις φυτοτοξικές και αντιβακτηριδιακές ιδιότητες των ΥΑΕ. Διάφορες φυσικοχημικές μέθοδοι έχουν προταθεί για την επεξεργασία των ΥΑΕ, συμπεριλαμβανομένων της απλής συμπύκνωσης, της επίπλευσης και καθίζησης, της εξάτμισης και της χρήσης επιλεγμένων μεμβρανών, της ουδετεροποίησης με την προσθήκη H2SO4, της οξείδωσης με O3 και αντιδραστήριο Fenton, καθώς επίσης και την επαναχρησιμοποίηση των ΥΑΕ με διασκορπισμό σε αγροτικά εδάφη σαν λίπασμα. Σε ότι αφορά τις βιολογικές μεθόδους, οι αναερόβιες βιολογικές διεργασίες είναι ιδιαίτερα αποδοτικές εξαιτίας των γνωστών πλεονεκτημάτων που εμφανίζουν και σχετίζονται με την εξοικονόμηση ενέργειας και χημικών και της μικρής παραγωγής λάσπης, ειδικότερα όταν αφορά την επεξεργασία αποβλήτων με υψηλή συγκέντρωση ΧΑΟ. Η εποχιακή λειτουργία των ελαιοτριβείων (Νοέμβριος – Φεβρουάριος) δεν αποτελεί μειονέκτημα για τις αναερόβιες διεργασίες εξαιτίας των χαμηλών παρατηρούμενων ρυθμών αποδόμησης των μεθανογόνων μικροοργανισμών και της εύκολης επαναλειτουργίας των αναερόβιων χωνευτήρων μετά από αρκετούς μήνες μη λειτουργίας. Παρόλο που η αναερόβια χώνευση χρησιμοποιείται κατά κύριο λόγο για τη μείωση του υψηλού οργανικού φορτίου των ΥΑΕ, η παρουσία ενώσεων στα ΥΑΕ τοξικών προς τους μεθανογόνους φαίνεται να είναι ένα σημαντικό πρόβλημα για την αναερόβια επεξεργασία των ΥΑΕ. Μία προσέγγιση στο πρόβλημα θα ήταν η αραίωση του αποβλήτου ώστε να μειωθεί η συγκέντρωση των φαινολικών ενώσεων και των λιπαρών οξέων. Σε αυτή την περίπτωση εξετάζεται και η απομάκρυνση των στερών του αποβλήτου πριν την αναερόβια χώνευση. Μία δεύτερη προσέγγιση θα ήταν η εφαρμογή αερόβιας προεπεξεργασίας του αποβλήτου ώστε να απομακρυνθούν ενώσεις που είναι τοξικές για τα μεθανογόνα βακτήρια. Πιο συγκεκριμένα, ένα πρώτο στάδιο αερόβιας προεπεξεργασίας του ΥΑΕ με μύκητα λευκής σήψης, έχει προταθεί ως η πιο κατάλληλη μικροβιακή διεργασία προεπεξεργασίας για την επιλεκτική απομάκρυνση των φαινολικών. Στόχος της παρούσας διατριβής ήταν να μελετηθεί η ικανότητα του μύκητα λευκής σήψης Pleurotus ostreatus κάτω από άσηπτες ή μη συνθήκες να λειτουργήσει σε έναν καινοτόμο βιοαντιδραστήρα καθοδικής ροής και να διευρενηθεί η αποδοτικότητα εναλλακτικά της αραίωσης ή/και της προεπεξεργασίας στην αναερόβια χώνευση ΥΑΕ σε αναδευόμενο μεσόφιλο αντιδραστήρα. Επίσης, μελετήθηκε η αναερόβια χώνευση ΥΑΕ σε αντιδραστήρα τύπου ASBR και αντιδραστήρα PABR, αντίστοιχα. Μία καινοτόμος μέθοδος ακινητοποίησης των μυκήτων αποδείχτηκε κατάλληλη για την ανάπτυξη μιας αποδοτικής διεργασίας προεπεξεργασίας για την απομάκρυνση των φαινολικών. Η αναερόβια χώνευση είναι η πιο αποδοτική διεργασία για την επεξεργασία υγρών αποβλήτων ελαιοτριβείου. Παρόλα αυτά, αραίωση ή/και κάποιου τύπου προεπεξεργασία είναι απαραίτητη για την αποφυγή τοξικότητας των φαινολικών στους μεθανογόνους. Θερμική προεπεξεργασία ακολουθούμενη από καθίζηση ώστε να απομακρυνθεί το στερεό περιεχόμενο, από την άλλη, αποδείχτηκε ένας μη επιθυμητός τρόπος προεπεξεργασίας. Επιπλέον, αραιωμένο ΥΑΕ 1:1, χωρίς την απομάκρυνση των στερεών μπορεί να υποστεί επεξεργασία αποδοτικά σε υδραυλικό χρόνο παραμονής 30 ημέρες, εξασφαλίζοντας σταθερή παραγωγή βιοαερίου. Βιολογική προεπεξεργασία με μύκητα μπορεί να οδηγήσει σε σταθερή διεργασία σε υδραυλικό χρόνο παραμονής 30 ημέρες. Η αναερόβια επεξεργασία του αποβλήτου σε αντιδραστήρα ASBR είναι εφικτή με ισοδύναμο χρόνο παραμονής 30 ημερών χωρίς να αραιωθεί το απόβλητο. Η επεξεργασία σε αντιδραστήρα PABR είναι ωστόσο πιο αποδοτική εξαιτίας του σχεδόν κατά μία τάξη μεγέθους μικρότερο υδραυλικού χρόνου παραμονής (3.75 ημέρες), που αυτός μπορεί να λειτουργήσει και της μεγαλύτερης απόδοσης του σε βιοαέριο. Το αναερόβια επεξεργασμένο απόβλητο μπορεί να καταστεί κατάλληλο για διάθεση μετά από κατάλληλη επεξεργασία μεμβρανών (συνδυασμός υπερδιήθησης και αντίστροφης όσμωσης). / Olive mill wastewater (OMW) is produced during the extraction of oil from the olive fruit by the traditional mill and press process. ΟΜW has a wide range of characteristics depending on the type of the mill and the type of olive and equipment employed. Most of the mills in Greece use a 3-phase extraction process. However, some of the newer ones use the 2-phase extraction process. Traditional mills are still present but to a limited extent. OΜW treatment and disposal has become a critical environmental problem in the Mediterranean area that accounts for approximately 95% of the world olive oil production. This is because of its high organic chemical oxygen demand (COD) concentration, and because of its resistance to biodegradation due to its high content in phenolic compounds. These compounds are responsible for its dark color, and its phytotoxic and antibacterial properties. Various physico-chemical methods have been proposed for treating OMW, including simple evaporation, flotation and settling, vaporization and use of selected membranes, neutralization with addition of H2SO4, oxidation by O3 and Fenton reagent, as well as reuse of the OMW by spreading onto agricultural soil as an organic fertilizer. As far as biological processes are concerned, anaerobic biological processes are particularly suitable because of their well known advantages related to energy and chemicals saving and to the low production of sludge, especially when it comes to treatment of high COD wastewaters. The seasonal nature of the operation of olive mills (typically November to February) is not a disadvantage for anaerobic processes because the observed decay rates for methanogens are very low and a digester can be easily restarted following several months of shut-down. Although anaerobic digestion may be in principle used for reducing the high organic content of OMW, the presence of compounds toxic to methanogens in OMW appears to be a significant problem for the anaerobic digestion of OMW. One approach to the problem has been to sufficiently dilute the OMW to reduce the concentration of phenolics and fatty acids. In this case, the possibility of prior solids removal needs to be examined. A second approach has been the use of aerobic pretreatment of OMW to remove compounds that are toxic to methanogenic consortia. In particular, a preceding aerobic treatment of OMW with white-rot fungi, has been proposed as the most suitable microbial pretreatment process for the selective removal of phenolics. The aim of the present study was to study the ability of the white rot fungus Pleurotus ostreatus under aseptic or non aseptic conditions to function in a novel trickling filter immobilized fungi bioreactor and to investigate the feasibility of alternative dilution and/or pretreatment processes for the anaerobic digestion of olive-mill wastewater in a stirred tank mesophilic digester. The anaerobic digestion of OMW in an anaerobic sequencing batch reactor (ASBR) and in a periodic anaerobic baffled reactor (PABR) was also studied. A novel fungi immobilization method proved very suitable for the development of an efficient pretreatment process for phenolics removal. Anaerobic digestion is the most effective process for the treatment of olive mill wastewater. However, dilution and/or some type of pretreatment are necessary to avoid toxicity of the phenolics on the methanogens. Thermal pretreatment followed by sedimentation to remove the solids content, on the other hand proved to be an undesirable type of pretreatment. Diluted 1:1 raw OMW on the other hand, without any solids removal, can be effectively treated at an HRT of 30d, securing a stable high biogas yielding operation. Biological pre-treatment with fungi may lead to a stable process at an HRT of 30d. Anaerobic digestion of OMW using an ASBR (anaerobic sequencing batch reactor) is feasible at an equivalent HRT of 30d with the advantage that it can treat nondiluted wastewater. Treatment in a PABR, however, is much more effective as it requires an order-of –magnitude lower HRT ( 3.75 d) and yields large amounts of biogas. The anaerobically treated effluent is still not suitable for disposal. A membrane process such as reverse osmosis may be effectively used to render the anaerobically treated wastewater readily disposable.

Dans le domaine de la réfrigération des bâtiments, le couplage d'une pompe à chaleur (PAC) avec un stockage d'énergie thermique est un moyen significatif pour en réduire le coût de fonctionnement énergétique et pour mieux dimensionner les équipements. Un prototype de ce système couplé avec un stockage thermique par MCP (Matériaux à Changement de Phase) est construit et mis en oeuvre dans le cadre du projet ANR ACLIRSYS (Commande avancée des systèmes de réfrigération à faible inertie). L'objectif de cette thèse est d'en proposer un modèle dynamique en vue de sa commande. Dans les échangeurs de la PAC, le fluide frigorigène peut être vapeur, liquide ou un mélange des deux tandis que le MCP du stock peut être solide, liquide ou un mélange des deux. Par conséquent, un modèle de type hybride est nécessaire pour tenir compte des différentes configurations possibles afin de résoudre les équations de bilan de masse et d'énergie dont les expressions diffèrent en fonction de ces configurations. Dans ce travail, des modèles statiques sont utilisés pour le compresseur et le détendeur de la PAC, et les modèles des échangeurs de la PAC et du stock sont basés sur une représentation des écoulements par une cascade de Réacteurs Parfaitement Agités Continues (RPAC). Le mécanisme de commutation entre les diverses configurations est conçu pour garantir la continuité de l'évolution simulée du système. Cette commutation est effectuée par des opérations matricielles, ce qui permet d'aboutir à une représentation globale et très compacte du système. Les propriétés thermodynamiques du fluide frigorigène et leurs dérivées partielles sont déterminées de façon analytique à l'aide d'une équation d'état. Deux versions du modèle du stock sont proposées. Une version simplifiée du modèle de surfusion et une version plus détaillée basée sur la méthode des bilans de population. Des données expérimentales recueillies sur le prototype ont permis de valider le modèle développé. Des expérimentations en régime transitoire ont été réalisées en faisant varier les conditions opératoires. Ces données concernent le fonctionnement de la PAC seule, du stock seul et du système couplé. Un bon accord a été obtenu entre les résultats numériques et les données expérimentales / In the area of buildings refrigeration, the use of thermal energy storage coupled with heat pump is a significant way for reducing the operating costs and optimizing the design of equipment. A prototype of refrigeration-PCM (Phase Change Material) energy storage system is built and implemented within the framework of the project ACLIRSYS (Advanced Control for Low Inertia Refrigeration Systems), funded by the French National Research Agency. The objective of my PhD thesis is to propose a dynamical physical model for the complete system. Within the evaporator and condenser of the heat pump, the refrigerant can be liquid, vapor or mixture of both, while the storage media can be solid, liquid or a mixture of both. Therefore, it is necessary to consider the discrete events associated to phase changes in order to solve the energy and mass balances in different configurations. In this work, static models are used for the compressor and the expansion valve of the heat pump. The heat exchangers of the heat pump and the storage models are based on a representation of the fluid flows by a cascade of Continuous Stirred Tank Reactors (CSTRs). In order to assure the continuity of system evolution, the switching mechanism between different configurations is established. This switching is performed by matrix operations, which permit to achieve a global and very compact representation of the system. The thermodynamic properties of the refrigerant and their partial derivatives are analytically determined by using an equation of state. Two versions of the model for the storage are proposed. A simplified version where the supercooling is assumed to take place at a constant temperature and a more detailed version based on the population balance equations. Experimental data from the prototype has been used to validate the developed model. Experiments in transient states were performed by varying the operating conditions. These date relate to the functioning of the heat pump alone, the storage alone and the coupled system. A very good agreement between the numerical results and experimental data was obtained

Des progrès dans les batteries aux ions lithium sont en cours de développement afin de répondre, entre autres, à la demande croissante des hautes densités d'énergie et de puissance pour le réseau électrique et en particulier pour l'application dans les véhicules électriques. Ces derniers remplacent écologiquement les véhicules à moteur à combustion interne et leurs succès est principalement dû à leur efficacité énergétique supérieure, à leurs faibles coûts d'exploitation et à leur profil respectueux de l'environnement par rapport aux véhicules à essence. Parmi les différents matériaux de cathode, les composés d'intercalation LiNixMnyCo1-x-yO2 (NMC) sont les meilleurs candidats pour des applications dans les batteries aux ions lithium à hautes performances. Des efforts sont en cours pour mettre en oeuvre des matériaux cathodiques à base de NMC riches en nickel pour répondre aux besoins environnementaux et énergétiques. Aussi séduisants soient-ils, ces matériaux de cathode présentent certains inconvénients liés à une forte réactivité, notamment à l'interface avec l'électrolyte. Pour contourner ces problèmes, des modifications de surface sont étudiées comme des solutions accessibles pour protéger le matériau actif et améliorer ses performances. Bien que diverses chimies et stratégies de revêtement soient publiées dans la littérature, notre approche consistant à combiner la synthèse et la modification de surface du matériau actif en une étape est aussi simple qu'efficace. Le présent manuscrit porte sur l’étude de ce composé. Deux méthodes de revêtement de surface ont été étudiées et leur matériau revêtu résultant a été comparé au matériau non revêtu. Après une caractérisation détaillée de ces matériaux, des études électrochimiques ont été menées afin d’évaluer leurs performances. Enfin, notre NMC622 revêtu de LiAlO2 en une seule étape s'est avéré efficace pour contrer la dégradation de la capacité du NMC et pour améliorer la stabilité structurelle des particules, améliorant ainsi leur cycle de vie. / Advances in lithium-ion batteries are being developed in order to meet, among other things, the increasing demand for high energy and power densities for the electric power grid and especially for application in electric vehicles. The latter are a green replacement for internal combustion engine vehicles, and their success is mostly due to their higher energy efficiency, low operating costs and eco-friendliness compared to gasoline-powered vehicles. Among various cathode materials, LiNixMnyCo1-x-yO2 (NMC) intercalation compounds are the best candidates for applications in high performance lithium-ion batteries. Efforts are underway to implement nickel-rich NMC-based cathode materials to meet environmental and energy needs. As appealing as they are, these cathode materials present certain drawbacks associated with high reactivity, especially at the interface with the electrolyte. To circumvent these issues, surface modifications are investigated as accessible solutions to protect the active material and enhance its performance. Although various coating chemistries and strategies are published in the literature, our approach of combining synthesis and surface modification of the active material in a single pot is as simple as it is efficient. The following manuscript will be covering the study of this material. Two methods of surface coating were studied, and their resulting coated material was compared to the uncoated material. After a detailed characterization of these materials, electrochemical studies were carried out to evaluate their performance. Finally, our resulting one pot LiAlO2- coated NMC622 has shown to be effective in counteracting NMC capacity degradation and improving the structural stability of the particles, thereby improving their cycle- life.

AD is regarded as a sustainable technology that could assist the UK Government meet internationally agreed GHG emission targets by 2050. However, the mature status of the technology is based on expensive systems that rely on high energy feedstock to be profitable. Meanwhile, the natural biodegradation of cow slurry is a recognised contributor to climate change despite having a relatively low CH4 potential because of the large volumes produced. Economic mixing is essential to the cost-effectiveness of farm AD but techniques applied are not always appropriate as slurry is a shear thinning thixotropic Herschel-Bulkley fluid and therefore challenging to mix. The apparent viscosity of slurry and the shear stress induced was most influenced by solids content (exponential change) followed by temperature (linear). Most shear thinning occurred before a rising shear rate of 20s-1 was achieved with the fluid acting near-Newtonian above. Thixotropic recovery occurred within 1 hour of resting. Rheological values were also much higher than previously reported. Highest CH4 production occurred in the first 10 days of the batch process using a range of mixing regimes with different shear rates and rest periods. During fed-batch operations, changing shear rate had a minimal effect on CH4 production using a 30-day HRT whereas shorter rest periods increased production. Specific CH4 production rate was highest when feeding and mixing coincided. However, when HRT was reduced (OLR increased) the CH4 produced by all mixed regimes significantly increased with highest values being achieved using high intensity mixing rested for short periods. Lower HRTs also requires smaller digesters. Parasitic mixing energy invariably had the most influence on net energy production. Signs of instability were evident after 20 days using the low HRT. Significant microbial adaptation was also observed as the experiments progressed. The research outcomes demonstrate that mixing regime and HRT can be managed to maximise net energy production whilst reducing capital expenditure.