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Développement d’un procédé de production de biofloculants à base de Cloacibacterium normanense utilisant les boues d’épuration comme matière première.

Klai, Nouha (2016). Développement d’un procédé de production de biofloculants à base de Cloacibacterium normanense utilisant les boues d’épuration comme matière première. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 240 p.

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Résumé

Quel que soit le système d’épuration adopté, le traitement des eaux usées s’accompagne d’une production de quantités de boues non négligeables dont il faut se débarrasser. Plusieurs filières existent pour l’élimination de ces boues, mais le choix doit être tributaire du coût d’installation, de l’origine de boues, de la valeur ajoutée du produit qui en résulte et de l’impact que pourrait avoir la filière retenue sur l’environnement. La valorisation biologique ou agricole constitue des technologies qui permettent de transformer les boues en produits à haute valeur ajoutée en minimisant les risques de pollution. Néanmoins, l’épandage des composts obtenus ne doit pas se faire sans s’être assuré de leur hygéinisation et de leur stabilisation. De plus, le compost de boues doit être exempt de toxicité à cause des agents floculants (les polymères chimiques) utilisés pour le conditionnement de boues et des teneurs en micropolluants organiques (phtalates, PCB, HAP…) ou métalliques. Pour s’affranchir aux polymères chimiques, une attention scientifique particulière est portée sur l’utilisation des biofloculants et des bios polymères produits par des microorganismes. Ces sont des biopolymères qui représentent une excellente alternative en raison de leurs coûts économiques et de leurs biodégradabilités limitant ainsi les risques environnementaux. Des recherches antérieures sont intéressées aux substances polymériques extracellulaires qui sont considérées comme une approche économique et rentable pour améliorer la décantation et la déshydratation de boues. Le présent travail oeuvre pour explorer et découvrir de nouveaux biofloculants potentiels sous forme de substances polymériques extracellulaires (SPEs) qui limitent l’utilisation des agents floculant ; afin de favoriser et faciliter la décantation et la déshydratation de boues. L’objectif de ce projet est de découvrir un nouveau procédé mettant en synergie une nouvelle souche qui produit une concentration élevée de SPEs dans les boues et une potentialité maximale de biofloculation. Nous verrons la première étape qui est le screening des souches productrices des SPEs, ensuite les étapes de production et d’extraction des SPEs pour enfin terminer avec leur caractérisation et leur potentialité de floculation. Dans ce contexte, différentes souches bactériennes productrices de SPEs ont été isolées à partir de boues secondaires (unité de biofiltration). Selon deux paramètres (concentration de SPEs et l’activité de biofloculation), Cloacibacterium normanense a été sélectionnée comme meilleure souche pour la production de SPEs qui produit 11,8 g/L de B- SPEs (Brute –SPEs) à 25 °C et 180 rpm pendant 48h. 92% d’activité de floculation est atteint utilisant 150 mg/L de Ca²⁺ et 2,3 mg/g kaolin de S-SPEs. Dans l’optique d’optimiser les résultats précédents, les meilleures conditions de fermentation (pH, température, agitation et taille d’inoculum) ont été par la suite appliquées afin d’améliorer le procédé de production. 13,3 g/L de B-SPEs (13 g/L de S-SPEs et 0,3 g/L de C-SPEs) a été obtenu dans des boues stérilisées à pH 7, inoculées avec 3 % d’inoculum et incubées à 30°C et 180 rpm pendant 48 h avec une potentialité de floculation de 94,2% utilisant 1,3 mg S-SPEs/g Kaolin. Différentes méthodes d’extraction ont été utilisées, mais, aucune étude n’a évaluée l’effet de ces techniques d’extraction sur l’activité de biofloculation des SPEs. Dans ce contexte, dix méthodes ont été testées pour l’extraction de SPEs présentes naturellement dans les boues secondaires. Les méthodes chimiques sont les plus efficaces pour extraire la majorité de SPEs produites dans les boues secondaires. La méthode de la centrifugation et chauffage a présenté de faibles concentrations de SPEs (1,2 g/L) en comparaison d’autres méthodes (formaldéhyde, sonication, EDTA…). Par contre, aucune lyse cellulaire n’a été remarquée dans le cas d’EDTA et de sonication. L’utilisation de formaldéhyde a montré une protection des cellules et a minimisé le dommage cellulaire en combinaison que ce soit avec la méthode de sonication ou avec l’EDTA. 6,2 g/L et 6,8 g/L de SPEs ont été extraites par l’EDTA, et Formaldéhyde-sonication-EDTA, respectivement. Un taux d’extraction élevé a été remarqué en utilisant ces deux méthodes en comparaison de la centrifugation, par contre une lyse cellulaire a été accompagnée qui peut être expliquée par la variation de la teneur en acides nucléiques de 0.09 mg/L en cas de centrifugation au 1.1 mg/L en cas de l’EDTA (5 g/L). Par contre, ce dommage cellulaire n’a aucun effet négatif sur l’activité de biofloculation qui a atteint 95% evec l’EDTA (5 g/L). Les différents facteurs inhérents à ce procédé tels que la source de carbone, le pH, la température, l’oxygène ont été pris en considération et particulièrement le type et la concentration de source de carbone. Ainsi, cette étude s’est orientée sur l’optimisation de la production de SPEs d’une part et la minimisation des coûts de la production d’autre part. Le glycérol brut est suggéré pour être utilisé comme substrat supplémentaire aux boues suite à son faible coût et sa disponibilité. Une caractérisation biochimique a été précédemment réalisée utilisant le test de Biolog afin de vérifier la possibilité de Cloacibacterium normanense d’assimiler le glycérol comme substrat. Différentes concentrations de glycérol (0,5, 1, 2% (v/v)) ont été utilisées. 21 g/L de B-SPEs à 72 h a été montré en utilisant 20 g/L de glycérol en comparaison au 5 g/L (15,8 g/L de B-SPEs) et 10 g/L (18 g/L de B-SPEs). La quantité de glycérol a été diminuée au cours de la fermentation de 20 g/L à 6 g/L. Trois méthodes d’extraction (EDTA, centrifugation et traitement thermique) ont été utilisées dans cette étude. L’EDTA a été sélectionné à partir de l’étude précédente et la centrifugation a été utilisée comme une méthode de contrôle. Une variation significative de la concentration de SPEs obtenue ; 21,3 g/L± 0.5 en cas de la centrifugation et 25,5± 2.5 g/L en cas de 5 g d’EDTA/L. Toutefois, utilisant 4,2 mg B-SPE/g Kaolin, les activités de floculation obtenues par les trois méthodes d’extraction (Centrifugation, chauffage et EDTA) sont : 90,5 ; 77 and 77,5 %, respectivement. Dans cette étude, la centrifugation est la meilleure méthode qui offre à la fois une concentration élevée de SPEs et une haute potentialité de floculation avec un minimum de dose. En tenant compte de résultats précédents, la concentration de SPEs est constante à partir de 72 h et la concentration de glycérol brut n’est pas totalement consommée. Une attention particulière est portée sur la variation du rapport carbone /azote au cours de la fermentation. Ce rapport qui peut favoriser la production de SPE lorsqu’il est faible contrairement à la production de lipides qui demande un rapport élevé pour stimuler l’accumulation de lipides. Dans ce sens, Cloacibacteriunm normanense semble une candidate d’une production de deux bioproduits, les SPEs et les lipides. De ce point de vue, cette étude est centrée sur l’ajout d’une source d’azote afin de favoriser l’accumulation de lipides et un environnement riche en carbone pour la production des SPEs. Les meilleurs résultats sont obtenus avec 22 g/L de SPEs et 27.6 % (p/p) de lipides accumulés pendant 72 h de fermentation utilisant un rapport C/N de 25. La matrice polymérique des biomasses renferme un large et hétérogène panel de molécules qui sont différentes tant sur le plan structurel que sur le plan des propriétés. Toutefois, c’est l’ensemble de ces propriétés qui va engendrer leur rôle fondamental dans la formation de flocs, décantation et déshydratation de boues et adsorption de métaux. Les travaux ont d’abord consisté à caractériser la structure et la composition chimique des SPEs. Pour ce faire, le FTIR et le LC/MS ont été utilisés. Les résultats de cette étude ont montré que les SPEs produites par Cloacibacterium normanense sont riches en diverses classes de molécules (les protéines, les polysaccharides, les substances humiques, les acides uroniques, les acides nucléiques) portant des groupes fonctionnels variés tels qu’hydroxyle, carboxyle, amide, amine, sulfure, etc. Les SPEs ont de nombreuses fonctions dans la vie des biomasses, dues aux propriétés de ces molécules. Ces SPEs ont été étudiées dans la formation de flocs dans les boues avec une activité de 73% en comparaison de 63% d’activité utilisant le Zetag (un polymère chimique utilisé dans la station d’épuration de Québec). Le rôle de SPEs dans la décantation est clairement démontré suite à la diminution de l’indice du volume des boues IVB en comparaison de contrôle (sans addition de SPEs). Les SPEs ont été évalués dans la décantation et la déshydratation de deux types de boues (municipales et papetières) à des concentrationen matières en suspension (MES) variées (7, 5, 2 et 1 g/L). Un indice du volume des boues municipales et papetières avec 5 g/L MES est de 20 mL/g après 5 min de décantation en comparaison de 50 mL/g après 30 min dans le cas de contrôle (sans ajout de SPEs). De plus, une diminution de temps de succion capillaire a été enregistrée montrant une élimination d’une quantité importante d’eau par les SPEs avec un pourcentage de déshydratation de 37,6% utilisant seulement 0,02 g/L de S-SPEs. De nombreuses études ont été menées sur les capacités de bio sorption des métaux par les SPEs. Celles-ci ont été appliquées pour le traitement des eaux usées primaires contaminées par des éléments métalliques. Une capacité d’élimination de 85% de Nickel (Ni), 70% de Fer (Fe) et Aluminium (Al) ont été montrés en utilisant 35 mg/L de SPEs. Avec tous les résultats obtenus sur le plan production, composition, structure et propriétés des SPEs, ces biopolymères représentent définitivement une excellente alternative à l’échelle laboratoire.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Tyagi, Rajeshwar Dayal
Mots-clés libres: production de biofloculants; boues d’épuration; Cloacibacterium normanense; substances polymériques extracellulaires; SPEs
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 26 avr. 2017 13:46
Dernière modification: 26 avr. 2017 13:46
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/5125

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