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Développement d'un nouveau bioprocédé utilisant les biocoagulants/biofloculants produits par les microorganismes pour la séparation solide/liquide des boues d'épuration.

Sellamuthu, Balasubramanian (2009). Développement d'un nouveau bioprocédé utilisant les biocoagulants/biofloculants produits par les microorganismes pour la séparation solide/liquide des boues d'épuration. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 239 p.

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Résumé

Au cours du traitement des eaux usées, une importante quantité de boues (contenant ~ 2- 5% de solides) est produite. Afin de réduire leur volume, les boues sont décantées et déshydratées. Les méthodes physiques exigent beaucoup de main-d'oeuvre, d‘électricité, et d'entretien. Le recours aux méthodes chimiques utilisant des polymères cationiques de synthèse (CSP) pour neutraliser les particules de boues chargées négativement s‘avère être coûteux, polluant et très toxique. L‘alternative pour réduire au minimum l'utilisation des CSP est le recours à une approche biologique utilisant les biocoagulants ou biofloculants. Depuis cinq décennies, les chercheurs étudient le rôle des substances polymériques extracellulaires microbiennes [SPE] produites au cours du processus de boues activées. Les SPE jouent un rôle majeur dans la formation des bioflocs, leur structuration et leur charge à la surface et dans les procédés de décantation et de déshydratation des boues. Les bioflocs sont formés avec des agrégats microbiens, des souches bactériennes filamenteuses, des particules organiques et inorganiques, qui sont maintenus par les SPE. Ces dernières sont principalement constituées de polysaccharides, de protéines, d‘acides nucléiques et d'autres composants cellulaires. Il a été constaté que les SPE sont soit sécrétées à l'extérieur de la cellule (dépôt gluant) ou liées à la paroi cellulaire (EPS capsulaire). Les dépôts gluants sont généralement détachés de la cellule au cours de la centrifugation alors que les SPE capsulaires sont stables et restes fixées à la paroi cellulaire des micro-organismes pendant le processus de séparation. Jusqu'à ce jour le développement de procédés de biofloculation des boues se heurte à plusieurs problèmes : (i) les interactions entre les SPE et les boues solides ne sont pas bien connues, (ii) le rôle d'autres composants actifs des SPE (protéines, lipides et glucides) dans la formation des bioflocs est indéterminé et (iii) la production de SPE dans les boues activées est un procesus non contrôlé. Sur la base des expériences passées, il est difficile de contrôler une communauté microbienne au cours du traitement des eaux usées pour produire des SPE spécifiques et/ou de favoriser la croissance d‘une souche microbienne aux dépends des autres. Pour remédier à ces problèmes, nous avons entrepris d‘isoler vingt-cinq souches bactériennes productrices de SPE, à partir des boues d'épuration municipales. Les microorganismes ont été choisis en se basant sur leur production de SPE sur le milieu de croissance. Les souches microbiennes productrices de SPE ont été identifiées par séquençage de leur ADNr 16S. Ces souches ont été cultivées individuellement sur un milieu synthétique et ont produit une quantité importante de SPE (jusqu'à 36 g/L). Toutefois, lorsqu'elles sont cultivées dans un consortium de flores microbiennes (conditions naturelles de croissance dans les boues activées), elles produisent une quantité plus faible de SPE. Trois types de SPE [dépôt gluant, SPE capsulaires et le bouillon bactérien (combinaison des deux SPE)] ont été récoltés et leurs caractéristiques ont été étudiées. La concentration des biofloculants (poids sec), la viscosité et leur charge à la surface (potentiel zêta variant entre -18 à -80mv) ont également été mesurées. L‘aptitude des SPE à floculer a été évaluée par la mesure de l‘activité de floculation du kaolin (FA). Cette activité a varié entre 77 et 90% dans l'ordre dépôt gluant > SPE capsulaire > SPE dans le bouillon bactérien. Malgré leur charge négative, les dépôts gluants ont révélé la meilleure activité de biofloculation par rapport à celle du bouillon bactérien et des SPE capsulaires. Les dépôts gluants sont sous forme de longues chaînes polymériques que et comportent de ce fait plus de sites de fixation des particules de boue, des micro-organismes et des agents de liaison (cations). Les SPE capsulaires forment des bioflocs en formant des co-agrégats avec d'autres microbes; la taille du floc est donc moins importante. Les mauvais résultats obtenus avec le bouillon bactérien sont le plus probablement dus à l'obstruction des sites actifs du dépôt gluant par les masses bactériennes. Cette observation explique le fait que les SPE produites naturellement dans les procédés de boues activées (ASP) ou de digestion aérobi ne sont pas très efficaces pour floculer les boues. En fait, une concentration trop élevée de SPE conduit à une mauvaise floculation. Ainsi les dépôts gluants ont montré une meilleure biofloculation que les SPE capsulaires et le bouillon bactérien. En se basant sur la mesure de l‘activité de floculation du kaolin, nous avons sélectionné six souches bactériennes (BS2, BS8, BS9, BS11, BS15 et BS25). Les dépôts gluants produits par ces 6 souches ont été étudiés pour leur capacité à décanter et à déshydrater les boues [par la mesure de l‘indice de volume des boues (SVI)] et le temps de succion capillaire (CST), respectivement]. Il a été constaté que la capacité de biofloculation de ces extraits était similaire à celles des polymères cationiques synthétiques (CSP). Des études sur la caractérisation chimique des dépôts gluants ont également été réalisées. Nous avons constaté que le taux d‘hydrates de carbone (TC) dans les SPE est plus élevé que celui des protéines totales (TP) dans tous les cas, sauf dans le cas du consortium bactérien. Après avoir calculé le pourcentage de TC et de TP, il a été constaté que les SPE produites par la culture de souches pures étaient principalement composées de lipides, d‘ADN et d'ARN. Les SPE des boues sont, quant à eux, majoritairement constituées de lipides, d‘une phase minérale, d‘acides organiques, d‘acides nucléiques et d'autres (non identifiés). Aussi, le ratio TC/TP des SPE des souches pures est plus élevé que ceux produites par le consortium bactérien. Mais dans cette étude, nous avons constaté que les hydrates de carbone ainsi que les autres composants des SPE (lipides, ADN, ARN) jouent un rôle majeur dans la décantation des boues. Cela montre que les souches bactériennes isolées à partir de boues d'eaux usées municipales produisent une plus grande quantité d'hydrates de carbone et d'autres composants. C‘est pour cette raison que le rôle de ces composés dans la formation de floc et la décantation des boues doit être étudié. Dans le même contexte, une souche de champignon filamenteux a été isolée à partir des boues d'épuration. Elle a été utilisée pour évaluer sa capacité à réduire les solides et les agents pathogènes, à décanter et à déshydrater les boues. Le champignon a révélé une bonne réduction des matières solides et une déshydratabilité améliorée. L‘étude de reproductibilité, menée dans un bioréacteur de 10L, a confirmé les résultats obtenus à savoir une réduction des MES d‘environ 54%, une réduction de 2 à 4 unités log d‘agents microbiens pathogènes et une meilleure déshydratabilité des boues (CST <20s).

Abstract

During wastewater treatment, a substantial amount of sludge is produced and to reduce its volume (which contains ~2-5% solids) the sludge is settled and subsequently dewatered. Physical methods requires high manpower, electricity, high operational and maintenance cost. Chemical methods employ expensive and toxic cationic synthetic polymers (CSP) to neutralize negatively charged sludge particles. To minimize the use of CSP an alternative and suitable, novel way is to use biocoagulants/bioflocculants. Since the past five decades researchers have been studying the role of microbial extracellular polymeric substances (EPS) produced during activated sludge process. EPS are known to play a major role in bioflocs formation, bioflocs structure and surface charge and in sludge settling and dewatering. Bioflocs are formed together with microbial aggregates, filamentous bacterial strains, and organic and inorganic particles, which are held together by EPS. They mainly consist of polysaccharides, proteins, nucleic acids and other cellular components. It was found that these types of EPS are either secreted outside the cell (slime EPS) or cellular bound (capsular EPS). Slime types of EPS are generally washed out from cells during centrifugation/harvesting whereas the capsular EPS are stable and attached on the cell wall of microorganisms during the separation process. To date the problems in successful development of sludge bioflocculation process are mainly due to (i) the interactions between EPS and sludge solids is not known; (ii) the role of other active components of EPS (proteins, lipids and carbohydrates) in biofloc formation also have not been identified; and (iii) uncontrolled production of EPS in activated sludge process. Based on the past experience, it is difficult to control a specific microbial community during wastewater treatment to generate preferred EPS and/or foster the growth of favorable microorganisms to produce EPS. To address these problems, twenty-five EPS producing bacterial strains were isolated from municipal wastewater sludge. Microorganisms were selected based on EPS production property on the growth medium. EPS producing microbial strains were identified based on the 16S rDNA gene sequencing. These strains when grown individually in synthetic medium produced substantial quantity of EPS, up to 36 g/L. However, when grown in consortium (as they grow naturally in activated sludge or aerobic sludge digestion process), they produced lower quantity of EPS. Three types of EPS [slime, capsular and bacterial broth (combination of both slime and capsular)] were harvested and their characteristics were studied. Bioflocculant concentration (dry weight), viscosity and their charge (using Zetaphoremeter, zeta potential varied between -18 to -80 mv) were also measured. Bioflocculation ability of obtained EPS was evaluated by measuring the kaolin clay flocculation activity (FA). Kaolin (FA) varied 77-90% in the order of slime EPS >capsular EPS >EPS in bacterial broth. Slime EPS revealed the best bioflocculation efficiency compared to those in bacterial pellet and bacterial broth in spite of their negative charge. Slime EPS possessing longer polymeric chain than the others (capsular and broth) carries more active sites to bind with the sludge particles, microorganisms and bridging agents (cations). Whereas, capsular EPS forms biofloc by forming co-aggregates with other microbes; therefore, the floc size was less. The poor performance of bacterial broth on sludge settling was most likely due to the blockage of the slime EPS active sites by bacterial pellet. This fact also explained that EPS produced naturally in activated sludge process (ASP) or aerobic sludge digestion process was not very effective in sludge flocculation; in fact, high EPS concentration led to very poor flocculation. Thus slime EPS was better in bioflocculation than EPS in capsular and bacterial broth. Six bacterial strains (BS2, BS8, BS9, BS11, BS15 and BS25) were selected based on the kaolin clay flocculation. Slime EPS from six bacterial strains were studied in terms of sludge settling [sludge volume index (SVI)] and dewatering [capillary suction time (CST)]. The bioflocculation capacity was compared with CSP, which was found to be similar. Studies on chemical characterization of extracted slime EPS were also conducted. The total carbohydrates (TC) concentration in EPS was higher than total protein (TP) concentration in all cases except the bacterial consortium. After calculating the percentage of TC and TP, it was found that EPS produced by pure culture strains mainly consisted of other components such as lipids, DNA and RNA. In sludge EPS, the major portion could be lipids, mineral phase, organic acids, DNA, RNA and other undefined compounds. Calculated TC/TP ratio showed pure bacterial strains possess higher TC/TP ratio than the consortium and sludge EPS. But in this study we found that carbohydrates and other (lipids, DNA, RNA) components play a major role in sludge settling. This showed that bacterial strains isolated from municipal wastewater sludge produced more quantity of carbohydrates and other components. Further, role of these compounds in floc formation and sludge settling needs to be studied. Similarly, a floc forming filamentous fungal (FF) strain was isolated from wastewater sludge. FF strain was used to evaluate their potential in solids reduction, pathogen reduction, sludge settling and dewatering. FF strain revealed better solids reduction and enhanced dewaterability. The reproducibility study, conducted in a 10 L bioreactor, revealed enhanced suspended solids reduction (54%), 2-4 log cycle pathogen reductions and better sludge dewaterability (CST <20 s).

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Tyagi, Rajeshwar Dayal
Mots-clés libres: biocoagulant; biofloculant; boue d'épuration; champignons; SPE; eaux usées
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 11 févr. 2014 16:16
Dernière modification: 17 mars 2016 17:54
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/1725

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