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Systèmes de biofiltres avancés pour l'élimination efficace de la microcystineleucine arginine et les principaux polluants de l'eau.

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Kumar, Pratik (2020). Systèmes de biofiltres avancés pour l'élimination efficace de la microcystineleucine arginine et les principaux polluants de l'eau. Thèse. Québec, Doctorat en sciences de l'eau, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 445 p.

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Résumé

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La microcystine-LR (MC-LR) est la toxine provenant d’une algue la plus répandue dans l’écosystème aquatique. La MC-LR est principalement excrétée par l’espèce dominante Microcystis aeruginosa de manière extracellulaire pendant les fleurs d’eau (« bloom »). Les changements climatiques et l’intervention humaine permettent désormais le déclenchement des fleurs d’eau tout au long de l’année, particulièrement durant les saisons d’été et d’automne. L’utilisation des eaux de surface en tant que source d’eau potable oblige maintenant les usines de filtration des eaux potables (UFE) à traiter la MC-LR afin d’éliminer les toxines de l’eau et la rendre sécuritaire pour la consommation humaine. Plusieurs méthodes conventionnelles de traitement telles que l’ozonation et la chloration se sont montrées efficaces pour l’enlèvement de la MC-LR. Cependant, leur utilisation peut mener à la formation de sous-produits toxiques et ces méthodes sont sensibles aux différentes conditions d’opération, incluant le pH, et la présence de composés organiques naturels et d’autres polluants organiques. Une option prometteuse est l’utilisation des procédés biologiques. Ces procédés ont démontré la possibilité de produire une eau exempte de toxine MC-LR, mais les cinétiques de dégradation obtenues étaient lentes (de 10 à 100 µg MC-LR L-1 d -1 en présence d’un média en suspension). Dans cette étude, l’idée d’une méthode biologique par biofiltre (procédé par média fixé) utilisant un sable non-modifié et modifié comme média adsorbant pour éliminer la MC-LR et d’autres contaminants des eaux est explorée. La faisabilité des biofiltres à sable (« biosand filters ») pour l’enlèvement de la MC-LR a été explorée afin d’éviter la production de sous-produits toxiques et d’offrir une option de modernisation du procédé de traitement des UFE existantes. Les communautés bactériennes indigènes (Pseudomonas fragi and Chryseobacterium sp., identifiées par « X ») ayant la capacité de dégrader la MC-LR ont été isolées à partir d’une unité de filtration de l’usine de filtration du Chemin Ste-Foy, Québec, Canada. Ces bactéries indigènes ont été individuellement cultivées en présences de 3 espèces de bactéries capables de dégrader la MC-LR (Arthrobacter ramosus (A), Bacillus sp. (B) Sphingomonas sp. (S)). Ensuite, chacune des co-cultures (X+A, X+B and X+S) a été mise à l’essai pour la biodégradation de la MC-LR et l’enlèvement d’autres contaminants des eaux avec deux configurations de biofiltre : a) filtre à sable (filtre statique), et a) réacteur à biofilm à lit mobile (« RBLM », filtre dynamique). Dans tous les cas, la concentration initiale en MC-LR était de 50 µg/L. Le RBLM a démontré un taux de dégradation de la MC-LR significativement plus faible que le filtre à sable (>70% d’enlèvement en 36 heures), nécessitant d’important temps de rétention. De son côté, le biofiltre à sable a démontré un taux d’enlèvement <50% de la MC-LR avec un temps de rétention d’environ une heure (filtre témoin). De plus, >80% d’enlèvement de la MC-LR a été obtenue avec un biofiltre bioaugmenté avec la culture S+X. Cependant, ce filtre a démontré une plus faible activité biologique (par rapport à la formation du biofilm) à la surface des grains de sable et une percée prématurée du filtre (<1 semaine d’opération) par la MC-LR a été observée dans l’eau filtrée. Afin de contrer ce défi, l’activité bactérienne a été améliorée par l’utilisation de résidus d’agriculture (fibre de chanvre, boues de désencrage, boues de pâtes et papier déshydratées) comme matériaux filtrants de surface potentiels. Ces matériaux ont démontré desefficacité d’enlèvement de la MCLR de >85%. Cependant, les longs temps de résidence (>2 heures) et les phénomènes de percée prématurée ont persisté et demeurent un défi. Par conséquent, le sable adsorbant nécessite des améliorations dans sa porosité et la taille de sa surface spécifique afin d’atteindre des plus faibles temps de résidence et une formation efficace de biofilm, respectivement. La grande taille de la surface de l’adsorbant modifié a également été supposée adsorber une plus grande quantité de MC LR, ce qui permettrait de prolonger la période d’opération avant la percée. Par conséquent, le média de sable a été modifié paur un composite graphène-sable en utilisant une solution de sucre à faible coût (effluent de brasserie comme source de sucre ; GS1), sable de dioxide de manganèse (MN), et leur mélange (GS+MN). À titre de comparaison, le sucrose a été utilisé comme solution de sucre à haut coût pour graphiter le média de sable (GS2). Le GS2 s’est avéré dégrader 10-15% moins de MC-LR et des autres contaminants des eaux que le GS1. Un plus faible temps de résidence hydraulique (< 0.75 heure) et des taux d’enlèvement de la MC-LR s’élevant jusqu’à 98% ont été observés avec le GS1. De plus, le GS1 a démontré un temps de percé jusqu’à 8 fois supérieur à celui du sable pur avec l’absence de lixiviation de la MC-LR pour une période d’opération de plus de 20 semaines. D’autres médias de filtration ont également été synthétisés pour relever les défis mentionnés dans les hypothèses ci-haut (en italique), incluant un sable enrobé d d’oxyde de graphène (GO), un sable enrobé de graphène réduit (rGO), un sable enrobé d’oxyde de Fe (Fe), et un mélange FeGO. Les biofiltre avec médias rGO et GO ont démontré des enlèvements de la MC-LR >85% avec des périodes de percé 5 semaines plus tôt que le biofiltre avec média GS1. En général, le biofiltre avec media GS1 a été identifié comme étant le plus réalisable des filtres, offrant une solution durable à faibles coûts (avec l’utilisation d’effluents de brasseries), qui, en plus d’atteindre un enlèvement complet de la MC-LR, augmente l’enlèvement de 30-40% des autres contaminants retrouvés dans les eaux de surface par rapport aux filtres à sable conventionnels. Comme résultat, la faisabilité de la mise à l’échelle a été évaluée par l’utilisation de programmes informatiques de calcul de dynamique des fluides (Programme : ANSYS/CFX) et la taille minimale suggérée de la dimension du bioréacteur (« minimum subjective bioreactor dimension ») offrant la meilleure canalisation par rapport au régime d’écoulement a été comparée à celle du réacteur à l’échelle laboratoire. L’eau d’un lac pollué a été utilisée comme alimentation pour des essais en laboratoire et analysée pour tous les paramètres importants de la qualité des eaux qui sont habituellement analysés dans les stations de filtration des eaux, incluant la MC-LR. Une simulation de station de filtration des eaux à l’échelle laboratoire, nommée SAP-1©, a été créée pour la mise à l’essai du média GS1. Les essais ont démontré un enlèvement complet de la MC-LR (<1 µg/L). Le module de traitement (Filtre GS1) peut offrir une solution à faible coût aux usines de filtration des eaux pour un enlèvement efficace des contaminants d’eaux de surface et pour l’enlèvement saisonnier ou à l’année des éclosions de MC-LR. Le module GS1 peut aussi agir comme unité de traitement individuelle à des fins domestiques.

Abstract

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Microcystin-LR (MC-LR) is the most prominent algal toxin prevalent in an aquatic ecosystem. MC-LR is excreted extracellularly by the cyanobloom dominated by Microcystis aeruginosa. Climate change and human intervention has triggered the cyanoblooms to break all year round, especially during the summer-autumn season. The use of surface water as a drinking water source has necessitated the drinking water treatment plant (DWTPs) operators to treat MC-LR in order to render and avail toxic-free drinking water for human consumption. Various conventional treatment methods such as ozonation and chlorination have shown effective MC-LR removal albeit formation of toxic by-products and found sensitive under various experimental parameters including pH, natural organic matter and other pollutants. On the other hand, biological process was found to undergo toxic-free MC-LR removal but the degradation kinetics were reported slow (from 10-100 µg MC-LR L-1 d -1 under suspended growth mechanism). Herein, this study explores the idea of biological method for the removal of MC-LR and other water quality parameters (WQPs) via biofilter (attached growth mechanism) using non-modified and modified sand as a cheap adsorbent media. The feasibility of MC-LR removal using biosand filters were explored to report no toxic by-products formation as well as quick treatment option to retrofit the research idea in an existing DWTP. The native bacterial community (Pseudomonas fragi and Chryseobacterium sp. named: ‘X’) potent in degrading MC-LR was isolated from the filtration unit of a DWTP, Chemin Ste-Foy, Quebec City, Canada. These native bacteria (‘X’) were co-cultured with three known MC-LRdegraders individually (Arthrobacter ramosus (A+X), Bacillus sp. (B+X) Sphingomonas sp. (S+X)) and tested for MC-LR biodegradation and removal of other water contaminants (water quality parameters: WQPs) using two kinds of biofilter: a) sand filter (static bed filter) and b) moving bed biofilm reactor (MBBRs: dynamic bed filter). In all cases, the initial MC-LR concentration was 50 µg/L. The MBBRs showed a relative slower MC-LR degradation rate (>70% removal in 36 hours) along with a high retention time while the biosand filter showed <50% MCLR removal but with a better retention time (~1 hour: control filter (sand)). Moreover, >80% MC-LR removal was achieved for filter bioaugmented with S+X. However, lower bacterial activity (biofilm formed) over the sand surface and an early leaching/breakthrough (<1 week of filter operation) of MC-LR was observed in the filtered water. To counter this challenge, bacterial activity was enhanced using agro-residues microfibers (hemp fiber, deinking sludge, pulp and paper dried sludge) as a potential ‘filter-top’ material that showed >85% MC-LR removal. However, high retention time (>2 hours) and early leaching phenomenon persisted and remained a challenge. Hence, the sand adsorbent needed enhancement in its porosity and specific surface area to achieve lower retention time and effective biofilm formation, respectively. The high surface area of the modified adsorbent was also hypothesized to adsorb more MC-LR that could help in prolonging the leaching period. Hence, sand media was modified to graphene sand composite using a low-cost sugar solution (brewery effluent as the sugar source: GS1), manganese dioxide sand (MN) and their mixture (GS+MN). As a comparison, sucrose was used as a high-cost sugar solution to graphitize the sand material (GS2) and was found to degrade 10%-15% less MC-LR and other WQPs than GS1. A lower retention time (< 0.75 hour) and high MC-LR removal up to 98% by GS1 was observed. Moreover, GS1 showed a breakthrough time up to 8 times more than the raw sand with no leaching phenomenon observed for over 20 weeks of filter operation. Some other filter media was also synthesized for the above-mentioned hypothesis (in italics) including graphene oxide coated-sand (GO), reduced graphene coated-sand (rGO), iron oxide coated sand (Fe), and FeGO. Biofilter rGO and GO showed >85% MC-LR removal with leaching period less (5 weeks) than GS1 biofilter. Overall, GS1 biofilter was marked as the most feasible filter offering a low-cost sustainable solution (use of waste brewery effluent) that not only achieved a complete MC-LR removal but also an enhanced removal by up to 30%-40% for other WQPs as compared to raw sand. As a result, scale-up feasibility was introspected using the computational fluid dynamics (software: ANSYS/CFX) and ‘minimum subjective bioreactor dimension’ was determined that offered better channelization of fluid regime as compared to the bench-scale filter. The polluted lake water was used as an influent and analyzed for all the important WQPs that are usually checked in a real DWTP, including MC-LR using scale-up GS1 biofilter. A simulated laboratory-scale DWTP micro-model named SAP-1© was created for the above purpose where complete MC-LR removal was observed (< 1 µg/L). The treatment module (GS1 filter) can offer a low-cost solution in a DWTP for an effective removal of WQPs and for the seasonal or year-round breakout of MC-LR in surface water which can also act as a stand-alone treatment module for household purposes.

Type de document: Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Brar, Satinder Kaur
Co-directeurs de mémoire/thèse: Cledon, Maximiliano
Mots-clés libres: microcystine-LR; eau potable; biodégradation; adsorption; biofiltre; sable; graphène; sable enrobé; dynamique des fluides numérique; mise à l’échelle; microcystin-LR; drinking water; biodegradation; adsorption; biofilter; sand; graphene; coated sand; computational fluid dynamics; scale-up
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 24 nov. 2020 15:34
Dernière modification: 24 nov. 2020 15:34
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/10639

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