Les préoccupations croissantes concernant les micropolluants présents dans les biosolides et les options d'élimination limitées ont entraîné un défi de plus en plus important en matière d'élimination des biosolides. La pyrolyse semble être une solution prometteuse, convertissant les biosolides en gaz de synthèse, en deux phases liquides et en biochar. Le biochar, en particulier, suscite un intérêt croissant en tant qu'amendement de sol en raison de ses propriétés bénéfiques pour les cultures et de son potentiel en tant que méthode d'élimination du carbone. Cependant, son application dans l'agriculture est entravée par des incertitudes concernant la possibilité de contenir des micropolluants, qui sont influencés par les paramètres du processus de pyrolyse. Ce projet de doctorat relève ce défi en se concentrant sur deux objectifs principaux : premièrement, déterminer les paramètres du processus pour générer un biochar sans micropolluants et deuxièmement, évaluer la distribution des micropolluants dans les produits finaux pour déterminer leurs applications idéales et contribuer ainsi à un processus de pyrolyse plus durable. Pour ce faire, 75 polluants différents, dont les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAPs), les substances per- et polyfluoroalkyles (PFAS), les polychlorobiphényles (PCBs), les polychlorodibenzo-p-dioxines et dibenzofuranes (PCDD/Fs) et les métaux lourds (HMs), ont été pris en compte simultanément tout en adaptant les conditions du procédé. Le passage du biochar par la première étape de pyrolyse à 350°C est insuffisant pour réduire les micropolluants et satisfaire aux directives du European Biochar Certificate (EBC). En revanche, le passage du biochar par une deuxième étape de pyrolyse à 650°C permet d'obtenir une efficacité d'élimination de 96,4 à 96,5% pour tous les micropolluants organiques. L'utilisation d'un gaz porteur pendant la pyrolyse améliore l'efficacité de l'élimination des HAPs et des PFAS, en particulier lorsqu'on utilise du CO₂ au lieu de N₂. Le contrôle du processus de refroidissement avec du CO₂ comme gaz vecteur réduit de manière significative la teneur en micropolluants, atteignant des efficacités d'élimination de plus de 99,5% pour les PCDD/Fs, 94,9% pour les HAPs et 76,2% pour les HMs, les HMs étant principalement réduits en raison de la réduction du cuivre. Dans l'ensemble, l'apport de CO₂ pendant les processus de pyrolyse et de refroidissement, ainsi que le passage du biochar par la deuxième étape de pyrolyse (650°C), permettent d'obtenir l'efficacité d'élimination la plus élevée pour tous les micropolluants organiques et de respecter les directives EBC, à l'exception du cuivre, du cadmium et du zinc. L'évaluation de la répartition des micropolluants entre les différents produits finis à 350°C a montré que les PFAS étaient répartis dans tous les produits finis, avec 12-13% détectés dans le biochar, 6-7% dans l'APL et 2-5% dans la phase huileuse. Une proportion considérable de 63 à 74% n'a pas été détectée, ce qui laisse supposer qu'ils ont été transférés dans la phase gazeuse ou décomposés. Les HMs ont été principalement trouvés dans le biochar, tandis que les HAPs ont été principalement trouvés dans la phase huileuse. Les PCDD/Fs ont été détectés à la fois dans l'huile et dans le biochar, 67,9 à 71,2% restant indéterminés. L'ajout de CO₂ pendant la pyrolyse a entraîné une réduction des HAPs de 4,9 et 1,7 fois par rapport à l'absence d'ajout de gaz porteur et à l'ajout de N₂, respectivement. En outre, les résultats indiquent la formation de HAPs et de PCDD/Fs au cours du processus de pyrolyse. Compte tenu de la teneur en micropolluants et des propriétés des produits finis, des applications stratégiques sont proposées pour tous les produits finis. En raison de la teneur élevée en HMs, le biochar dérivé des biosolides utilisés dans cette étude n'est pas recommandé à des fins agricoles, mais pour la construction, l'adsorption ou les produits d'asphalte afin d'éviter la contamination du sol. Un post-traitement pour enlever les HMs est toutefois possible. Les tests de BMP réalisés avec succès avec la fraction APL suggèrent son utilisation comme co-substrat pour la digestion anaérobie, bien que des recherches soient nécessaires pour minimiser la phase de latence qui en résulte. L'huile de pyrolyse à haute teneur en micropolluants, bénéficiant de l'apport de CO₂ pendant la pyrolyse, a atteint un pouvoir calorifique comparable à celui de l'éthanol, ce qui indique son potentiel en tant que source d'énergie. Sur la base de ces résultats, une intégration de la digestion anaérobie et de la pyrolyse est suggérée pour améliorer la valeur globale du processus en développant des synergies entre les produits finaux de chaque processus. Ainsi, le présent travail a permis de développer des stratégies pour convertir les déchets supposés en produits finaux de valeur, aidant les opérateurs à générer du biochar sans micropolluants. En outre, il met en évidence les possibilités d'utilisation des autres produits finis générés, améliorant ainsi la valeur globale du processus de pyrolyse. Il aide les décideurs en offrant une alternative durable à l'élimination des biosolides, en convertissant un déchet supposé en produits finis de valeur, en libérant tout le potentiel du biochar et en encourageant le développement de nouveaux marchés pour le biochar. / The increasing concerns about micropollutants in biosolids and the limited disposal options have resulted in an increasing challenge for biosolids management. Pyrolysis seems a promising solution, converting biosolids into syngas, two liquid phases (aqueous pyrolysis liquid and pyrolysis oil), and biochar. Biochar, in particular, has gained increasing interest as soil amendment due to its beneficial properties for crop production and its potential as a carbon removal method. However, its application in agriculture is hindered by uncertainties regarding the possibility of containing micropollutants, which are influenced by the pyrolysis process parameters. This PhD project addresses this challenge by focusing on two main objectives: firstly, determining process parameters to generate a micropollutant-free biochar and secondly, evaluating the distribution of micropollutants across the end-products to determine their ideal applications and thus contributing to a more sustainable pyrolysis process. To achieve this, 75 different pollutants, including polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), per- and polyfluoroalkyl substances (PFASs), polychlorinated biphenyls (PCBs), and polychlorinated dibenzo-p-dioxins and dibenzofurans (PCDD/Fs) and heavy metals (HMs), are considered simultaneously while adapting the process conditions. Passing the biochar through the first pyrolysis stage at 350°C is insufficient to reduce the micropollutants in order to fulfil the guidelines of the European Biochar Certificate (EBC). However, passing the biochar through a second pyrolysis stage at 650°C results in a removal efficiency of 96.4-96.5% for all organic micropollutants. Using a carrier gas during pyrolysis enhances the removal efficiency for PAHs and PFAS, particularly when employing CO₂ instead of N₂. Controlling the cooling process with CO₂ as a carrier gas significantly reduces the micropollutant content, achieving removal efficiencies of over 99.5% for PCDD/Fs, 94.9% for PAHs and 76.2% for HMs, whereby HMs are primarily reduced due to the copper reduction. Overall, supplying CO₂ during both the pyrolysis and cooling processes, along with passing the biochar through the second pyrolysis stage (650°C), results in the highest removal efficiency for all organic micropollutants and leads to compliance with the EBC guidelines, except for copper, cadmium and zinc. Evaluating the distribution of micropollutants among the different end-products at 350°C demonstrates that PFAS are distributed in all end-products, with 12-13% detected in biochar, 6-7% in the APL and 2-5% in the oil phase. A considerable proportion of 63-74% remains undetected assuming that they are transferred to the gas phase or decomposed. HMs are predominantly found in biochar, while PAHs are mainly found in the oil phase. PCDD/Fs are detected in both oil and biochar, with 67.9-71.2% remaining undetermined. The addition of CO₂ during pyrolysis results in a 4.9- and 1.7-fold reduction in PAHs in the pyrolysis oil compared to no carrier gas addition and N₂ addition, respectively. The CO₂ supply at 350°C resulted in an 11 and 5% increase in HMs retention in the biochar compared to the absence of a carrier gas and N₂ supply, respectively. The impact of the carrier gas on the distribution of the other micropollutants is negligible. Furthermore, the results indicate the formation of PAHs and PCDD/Fs during the pyrolysis process. Considering the micropollutant content and the properties of the end-products, strategic applications are proposed for all end-products. Due to the high HM content, biochar derived from the biosolids used in this study is not recommended for agricultural purposes, but it may be used for construction, adsorption or asphalt products to prevent soil contamination. Post-treatment of biochar to remove HMs is however possible, but will increase the product costs. The successful BMP tests performed with the APL fraction suggest its use as a co-substrate for anaerobic digestion, although research is needed to minimise the resulting lag phase. The pyrolysis oil, with its high micropollutant content, benefits from the CO2 supply during pyrolysis, as it achieves the highest calorific value, which is comparable to that of ethanol, indicating its potential as an energy source. Based on the results, an integration of anaerobic digestion with pyrolysis is suggested to enhance overall process value by developing synergies between the end-products of each process. As such, the present work developed strategies for converting supposed waste into valuable end-products, aiding operators in generating micropollutant-free biochar. Additionally, it highlights opportunities for using the other end-products generated, enhancing the overall value of the pyrolysis process. It supports decision-makers by providing a sustainable alternative for biosolids disposal by converting a supposed waste product into valuable end-products, unlocking the full potential of biochar and encouraging the development of new biochar markets.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/150863 |
| Date | 23 September 2024 |
| Creators | Schlederer, Felizitas |
| Contributors | Vaneeckhaute, Céline |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | 1 ressource en ligne (xx, 165 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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