Description du poste

- Description des laboratoires d’accueils
Irstea – UR OPAALE, institut de recherche en sciences et technologies pour l’environnement et l’agriculture, est focalisé sur la gestion durable des eaux et des territoires, les risques naturels et la qualité environnementale. Au sein d’Irstea, l’unité de recherche OPAALE localisée à Rennes développe des travaux de recherche sur les procédés de transformation des déchets et des effluents organiques dans l’objectif d’améliorer l’efficience environnementale de leur gestion tout en maîtrisant les risques sanitaires.
Université Laval – BioEngine, équipe de recherche sur l’ingénierie des procédés verts et des
bioraffineries, se concentre sur la récupération des ressources (énergie, nutriments) à partir des eaux usées et des matières résiduelles. Localisé à Québec, Canada dans le département de génie chimique de l’Université Laval, l’équipe BioEngine développe des nouveaux procédés durables de récupération des ressources, ainsi que des modèles mathématiques et des outils d’aide à la décision afin de guider les municipalités et les industries dans l’implémentation et l’optimisation des filières de traitement.

- Description -
La biométhanisation est en plein développement en France, au Québec et ailleurs dans le monde.
Toutefois, la gestion des digestats reste un frein au développement et un élément majeur dans le bilan environnemental de la filière. Malgré une légère augmentation de l’homogénéité du produit en sortie de méthanisation, la forte volatilité de l’azote, la complexité du produit et la dilution importante rendent difficile son utilisation optimale entrainant, au final, une faible efficience du recyclage des nutriments. Des transformations complémentaires sont nécessaires pour augmenter l’efficience de ce recyclage. Dans ce cadre, la combinaison des procédés de précipitation de phosphore et de culture de microalgues apparait comme une filière intéressante et complémentaire à la méthanisation. En effet, cette combinaison de procédés permet de recycler l’azote (N) et le phosphore (P), de produire des composés avec une haute valeur ajoutée et les 2 procédés présentes des synergies. L’extraction de P par précipitation permet d’extraire le P sous une forme concentrée et dont la valeur agronomique est reconnue. Au niveau de l’extraction/valorisation de N (et P dans une moindre mesure), les procédés de culture de microalgues apparaissent également intéressants et sont beaucoup étudiés du fait des nombreuses possibilités de valorisation de ces microalgues (biofertilisants, biodiésel, biomatériaux, …) et de la valeur ajoutée importante des produits obtenus.
Ainsi, la combinaison de ces 2 procédés apparait pertinente afin d’optimiser aussi bien le recyclage du P que celui de N. De plus, cette combinaison de procédés présente des synergies opérationnelles.
En effet, le ratio N/P de l’affluent utilisé pour la culture de microalgues est un facteur majeur pour le contrôle de la croissance des microalgues et des interactions avec les bactéries présentes. Ainsi, son contrôle en amont de la culture de microalgues est un atout majeur pour le procédé et donc pour la filière globale.
Dans ce cadre, l’université Laval (Québec, Canada) et l’Irstea (Rennes, France) proposent une thèse en cotutelle dans l’objectif d’étudier cette filière de récupération des nutriments des digestats combinant les procédés de précipitation de P et de culture de microalgues à travers des travaux de modélisation de la filière.

- Objectifs
L’objectif technologique de cette thèse est d’étudier une filière combinant les procédés de méthanisation, précipitation du P et culture de microalgues pour optimiser l’efficience du recyclage des effluents et déchets organiques aussi bien au niveau énergétique qu’au niveau des nutriments.
D’un point de vue scientifique, il s’agira d’adapter, de développer et d’intégrer des modèles mathématiques pour simuler la filière globale en se basant sur des résultats expérimentaux existants ou à acquérir. Ces modèles devront permettre d’étudier et de comprendre l’impact des procédés unitaires amont de la culture de microalgues sur le ratio N/P de l’effluent et de déterminer l’influence de ce ratio N/P sur les interactions bactéries/microalgues. Au final, la simulation globale de la filière devra permettre son optimisation.

- Démarche et méthodologie
Le développement et l’intégration des modèles mathématiques de simulation de la filière seront réalisés à partir du logiciel WEST. Concernant le procédé de co-digestion, la simulation numérique se basera sur les modèles existants ou en cours de développement dans les laboratoires d’accueils. Il conviendra d’adapter les dernières avancées scientifiques dans le logiciel WEST. Pour le procédé de précipitation de P, le modèle développé à l’Université Laval (BioEngine) sera utilisé après une étape de calibration/validation. Cette étape de calibration/validation sera réalisée, dans un premier temps, à partir de données existantes dans les laboratoires d’accueil et dans la littérature. Si nécessaire, des expérimentations complémentaires seront spécifiquement conduites pour cette étape. Le modèle développé à l’Irstea (UR OPAALE) sera utilisé pour le procédé de culture de microalgues. Après adaptation si nécessaire, ce modèle devra être mis en œuvre sous le logiciel WEST. De même que pour le procédé de précipitation de P, une étape de calibration/validation sera réalisée à partir de données existantes et des expérimentations complémentaires seront spécifiquement conduites si nécessaire. Lorsque nécessaire, le doctorant participera à l’acquisition des données expérimentales.
L’intégration des modèles permettra ensuite d’étudier l’influence des intrants et des conditions opératoire sur l’efficience globale de la filière.
Organisation et déroulementLa thèse proposée se déroulera sur 3 ans. Au cours de la première moitié de la thèse (1.5 ans), le doctorant sera accueilli à l’Université Laval (BioEngine). Il bénéficiera alors d’une bourse de thèse de l’université d’un montant de 18,000CAD/an. Au cours de la 2 ième moitié de la thèse (1.5 ans), le doctorant sera accueilli au sein de l’Irstea (UR OPAALE) dans le cadre d’un contrat à durée déterminée. Il bénéficiera alors d’un salaire annuel brut de l’ordre de 25,000€/an.
Au cours de la thèse, à minima, 1 « aller/retour » entre les laboratoires d’accueils sera pris en charge par l’Irstea et/ou l’Université Laval.
Ce projet de thèse s’inscrit dans le cadre du projet BIOMSA financé par l’Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie (ADEME, France) et un projet Découverte financé par le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG).
Le doctorant sera inscrit dans les 2 universités (Laval et Rennes 1) et bénéficiera du double diplôme.
Les droits d’inscription ne seront payés que dans l’une des universités.
Les directrices/eurs de thèse seront, respectivement, pour l’Université Laval, BioEngine et l’Université Rennes 1, Céline Vaneeckhaute et Fabrice Béline.