Paramètres opérationnels favorisant le développement d'un biofilm nitrifiant au sein d'un procédé par biomasse fixée : évaluation par qPCR, amorces dégénérées et paramètres intégrateurs en eaux usées

Bourgeois, François-René (2018). Paramètres opérationnels favorisant le développement d'un biofilm nitrifiant au sein d'un procédé par biomasse fixée : évaluation par qPCR, amorces dégénérées et paramètres intégrateurs en eaux usées. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Dans l'optique de répondre à la règlementation canadienne ou aux exigences québécoises sur les rejets d'azote ammoniacal et de la toxicité à l'effluent, une approche opérationnelle favorisant le développement d'un biofilm nitrifiant est proposée. Cette approche, peu coûteuse, permettrait aux stations d'épuration de type biofiltration une mise à niveau uniquement fondée sur une base opérationnelle plutôt que sur une réfection complète du procédé en place. Ces paramètres opérationnels visés sont l'aération, le lavage à contrecourant ainsi que la régulation du débit. Les études existantes ne permettent pas à ce jour d'évaluer si ces paramètres peuvent favoriser le développement d'une flore nitrifiante dans un procédé qui n'est pas originalement conçu pour soutenir la nitrification. De plus, les etudes existantes ne démontrent pas le lien entre la flore bactérienne et le rendement épuratoire dans le cas d'une biomasse fixée.

L'objectif général de la présente thèse consiste à définir le lien qui existe entre l'état des populations relatives des bactéries nitrifiantes dans un biofilm de type « biomasse fixée » provenant d'un filtre biologique aéré, les caractéristiques d’eaux usées, les conditions opérationnelles ainsi que la capacité de traitement de la matière organique ou de l’azote ammoniacal. Lors de différentes campagnes expérimentales menées en station d’épuration, des échantillons de média filtrant et d'eaux usées ont été prélevés à différentes profondeurs d’un biofiltre existant (0,3; 0,6; 1,2 et 1,5 m) afin de caractériser l'état du biofilm ainsi que le rendement épuratoire tout au long du passage de l’eau dans le filtre biologique, et ce, en fonction des paramètres opérationnels étudiés. Les échantillons de biofilm ont été étudiés par une approche originale utilisant la qPCR avec amorces dégénérées pour l'estimation de la présence relative des principales bactéries responsables de la nitrification : les bactéries oxydant l'ammonium (AOB) et les bactéries oxydants les nitrites (NOB). Ces nouveaux marqueurs moléculaires ont été conçus sur la base des séquences génétiques partielles des gènes amoA (sous unité alpha de l'enzyme « ammonium monooxygénase ») et nxrB (sous unité bêta de l'enzyme « nitrite oxydoréductase »). Une caractérisation tridimensionnelle du biofilm par analyse FISH et par imagerie confocale a également été réalisée afin de confirmer la tendance observée par les résultats qPCR. Les paramètres de CDBO5, de DCO, d'azote total et ammoniacal, de nitrate, d'alcalinité et de sulfures ont été analysés sur les échantillons d'eaux usées prélevés afin d'estimer le rendement épuratoire aux différentes profondeurs des cellules de traitement ainsi que pour confirmer la présence de nitrification.

Les résultats portant sur les effets des paramètres opérationnels ont démontré une augmentation de la population relative des AOB et NOB par rapport à la population bactérienne (article scientifique 1). La présence relative dans les cellules tests avec les amorces amoA et nxrB ont été évalué à 0,50 % et 0,033 % respectivement lors des essais opérationnels d'aération, à 0,21 % et 0,046 % lors des essais de modification des lavages et 0,58 % et 6,3 % lors des essais sur le débit d'eaux usées dirigé sur les cellules de traitement. Les analyses FISH ont démontré qu'il ne semble pas y avoir de colocation obligatoire entre les AOB et NOB soulevant ainsi l'hypothèse que les NOB ne sont pas totalement dépendantes des AOB pour leur croissance.

Le développement de la population relative de AOB et NOB a également été observé lorsque considéré par rapport à l'ensemble du biofilm (article scientifique 2). Les résultats des paramètres d’analyses des eaux ont mis en évidence l'amélioration significative du traitement de la charge carbonée tout en confirmant la présence de nitrification. Le plus haut taux d'enlèvement d'azote ammoniacal observé a été de 49 % lors des essais de modification des lavages des filtres contre 16 % pour le contrôle. La population nitrifiante au sein de tout le biofilm a été évaluée à 0,032 % et 0,008 % pour les AOB et NOB respectivement contre 0,019 % et 0,004 % respectivement pour la cellule test. Les plus fortes valeurs observées de AOB et NOB proviennent des essais sur le débit avec des valeurs respectives de 0,034 % et 0,18 %. Cependant, la nitrification observée lors de ces essais a été évaluée à 21 % d'enlèvement. La consommation énergétique supplémentaire, évaluée en kWh par kilogramme de DBO5 et NH4+ enlevés par jour pour l'enlèvement de la charge carbonée et azotée de la cellule test par rapport à la cellule de contrôle, a été évaluée à 407 kWh/kg/d lors des essais de condition d'aération, à 69 kWh/kg/d lors des essais de paramètre modifié de lavage et 152 kWh/kg/d lors des essais d'ajustement du débit (article scientifique 3). Il apparait que l'oxygène dissous est le paramètre clé pour assurer un bon rendement de nitrification, et ce, en dépit de la population bactérienne nitrifiante présente. Ainsi, l'oxygène dissous devrait être maintenu à au moins 6 mg-O2/L dans le cas des biomasses fixées, et en profondeur s’il y a usage d'un lit biofiltrant.

Finalement, il est possible, par l'action de quelques changements opérationnels, de favoriser le développement d'une flore bactérienne nitrifiante dans un procédé qui n'est pas originalement conçu à cet effet. L'aération, les lavages à contre-courant et le débit ont tous une incidence positive sur le développement des AOB et NOB. Toutefois, pour assurer la nitrification, le maintien d'une aération à 6 mg-O2/L et les lavages moins intenses semblent s’avérer des solutions prometteuses. L'augmentation du temps de résidence hydraulique n'a pas amélioré la nitrification, mais elle a permis d'augmenter la concentration en oxygène dissous dans le liquide interstitiel. Ce paramètre favorise la diffusion de l'oxygène dissous et diminue ainsi la demande énergétique associée. Ces résultats constituent une avancée dans la compréhension du comportement des biofilms de type biomasse fixée dans le domaine de l'épuration municipale et les principales conclusions peuvent être aisément appliquées à tous les procédés de ce type, élargissant ainsi leur potentiel de traitement épuratoire.

Titre traduit

Operational parameters promoting the development of a nitrifying biofilm within a fixed biomass process : qPCR assessment with degenerated primers and waste water treatement efficiency

Résumé traduit

In order to meet Canadian regulations or Quebec requirements for ammonia nitrogen discharges and effluent toxicity, an operational approach favoring the development of a nitrifying biofilm is proposed. This low-cost approach would allow biofiltration-type treatment plants to upgrade only on an operational basis rather than on a complete upgrade of the existing process. These parameters are aeration, backwashing and flow control. Existing studies have not yet been able to evaluate whether these parameters can promote the development of nitrifying flora in a process that is not originally designed to support nitrification. In addition, existing studies do not demonstrate the link between bacterial flora and treatment performance in the case of fixed biomass.

The general objective of this thesis is to define the link between the state of the relative populations of nitrifying bacteria in a "fixed biomass" type biofilm from an aerated biological filter, the characteristics of wastewater, the operating conditions and the treatment capacity of organic matter or ammonia nitrogen. During different experimental campaigns in the treatment plant, samples of filter medium and wastewater were taken at different depths of an existing biofilter (0.3, 0.6, 1.2 and 1.5 m). to characterize the state of the biofilm as well as the purification performance throughout the passage of water in the biological filter, and this, according to the operational parameters studied. Biofilm samples were studied using an original approach using qPCR with degenerate primers to estimate the relative presence of the main bacteria responsible for nitrification: ammonium oxidizing bacteria (AOB) and nitrites oxidizing bacteria (NOB). These new molecular markers were designed on the basis of the partial genetic sequences of the amoA genes (alpha subunit of the enzyme "ammonium monooxygenase") and nxrB (subunit beta of the enzyme "nitrite oxidoreductase"). A threedimensional characterization of the biofilm by FISH analysis and confocal imaging was also performed to confirm the trend observed by the qPCR results. The integrating parameters of CBOD5, COD, total and ammonia nitrogen, nitrate, alkalinity and sulphides were analyzed on the wastewater samples taken to estimate the treatment efficiency at the different depths of the treatment cell and to confirm the presence of nitrification.

The results on the effects of the operational parameters showed an increase in the relative population of AOB and NOB compared to the bacterial population (Article 1). The relative presence in the test cells, with the primers amoA and nxrB, were evaluated at 0.50 % and 0.033 % respectively during the aeration tests, at 0.21 % and 0.046 % during the backwashes modification tests and 0.58 % and 6.3 % in the wastewater inflow tests. FISH analyzes have shown that there does not appear to be any mandatory colocation between AOB and NOB, thus raising the assumption that NOB are not totally dependent on AOB for their growth.

The development of the relative population of AOB and NOB was also observed when considered in relation to the entire biofilm (Article 2). The results of the integrating parameters of water analyses revealed significant improvement in the treatment of the carbon load. The highest rate of ammonia nitrogen removal observed was 49 % in the test cell during the modified backwash parameter assay, while the relative nitrifying population within the entire biofilm was evaluated at 0.032 % and 0.008 % for the AOB and NOB respectively. The highest observed values of AOB and NOB come from the inflow tests with values of 0.034 % and 0.18 % respectively. However, observed nitrification was evaluated at 21 % of ammonia removal. The additional energy consumption for the removal of carbon and nitrogen load from the test cell compared to the control cell was evaluated at 407 kWh/kg·d-1 during the aeration condition test, at 69 kWh/kg/d during the modified backwash parameter assay and 152 kWh/kg/d during the inflow adjustment test (Article 3). It appears that dissolved oxygen is the key parameter to ensure a good nitrification performance, despite the nitrifying bacterial population present. Thus, dissolved oxygen should be maintained at least 6 mg-O2/L in the case of fixed biomass, and in depth if biofiltration bed is used.

Finally, it is possible, through some operational changes, to promote the development of a nitrifying bacterial flora in a process that is not originally designed for this purpose. Aeration, backwashing and inflow all have a positive impact on the development of both AOB and NOB. However, to ensure nitrification, maintaining aeration at 6 mg-O2/L and less intensive backwashes appear to be promising solutions. Increasing hydraulic residence time did not improve nitrification, but it increased the concentration of dissolved oxygen in the interstitial fluid. This parameter promotes the diffusion of dissolved and thus reduces the associated energy demand. These results represent an advance in the understanding of the behavior of fixed biomass biofilm in the field of municipal purification and the main conclusions can easily be applied to all processes of this type, thus broadening their remediation potential.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse par articles présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 151-165).
Mots-clés libres:	biofiltration, biofilm à biomasse fixée, AOB et NOB, nitrification, paramètres opérationnels
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Monette, Frédéric
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	19 févr. 2019 17:06
Dernière modification:	19 févr. 2019 17:06
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2201

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