Vers la maîtrise du biofilm dans les procédés à biomasse...

)20/10/2011 Veolia Environnement Recherche & Innovation

Vers la maîtrise du biofilm dans les procédés à biomasse fixée pour le traitement des rejets liquides, solides et gazeux

Anne-Sophie LEPEUPLE


1

Le traitement et les procédés à biofilm

Le traitement des eaux usées

20/10/2011 Veolia Environnement Recherche & Innovation 3

Le traitement biologique

Dégradation de la matière organique carbonée


Carbohydrates,

protéines, lipides

O2

CO2 + H2O + oxydes minéraux

5

La digestion anaérobie

Hydrolyse

Acidogénèse

Acétogénèse

Bactéries

hydrolytiques

et acidogènes

Bactéries

acétogènes

Monomères : sucres, acides

aminés, acides gras.

Acides organiques,

alcools

Acétate CO2, H2

MéthanogénèseArchées

méthanogènes

METHANE

Acétotrophes Hydrogénotrophes


Traitement de l’azote

Nitrification-Dénitrification

NO2-

O2

O2

NO3-

AOB

N2

COD

Hétérotrophes

NH4+

NO2-

NOB

Hétérotrophes

COD

Aérobie Anoxie

O2 COD

7

Les procédés de traitement Biologique

Pollution

Procédés

de traitement

Déchets solidesOrdures ménagères

Déchets verts

Boues

EauxEaux usées urbaines

Eaux usées industrielles

Effluents gazeuxSTEP

Compostage

Boues

activées

MBBR

Biofiltration

BRM

Digestion

anaérobie

Compostage Biofiltration


Intérêt des procédés à biomasse fixée :

• Concentration en biomasse supérieure/biomasse libre

• Temps de séjour de la biomasse supérieur

• Sélection accrue des microorganismes d’intérêt (vitesses de croissance)

Points cruciaux à surveiller:

• Colonisation rapide

• Transferts d’oxygène au sein du biofilm (procédés aérobies)

• Colmatage

• Spatialisation du procédé

La mise en œuvre des biofilms dans le traitement


La biofiltration : Biostyr

Biostyrène TM colonisé



MBBR : Moving Bed biofilm reactor



Biofiltration de l’air

Transfert en phase aqueuse

Gaz

Adsorption

Biodégradation

polluants (gaz)

CO2, H2O,Oxydes minéraux

Biofilm

Support(organique/inorganique)

Copeauxd’écorces de pin



Digestion anaérobie sur biofilms

Co-enzyme F420


• Vitesse de colonisation

• Spécialisation

• Spatialisation

Caractérisation de la

biomasse

Biomasse VS paramètres de fonctionnement

• Robustesse

• �� ou �� des activités métaboliques

• Identification de nouvelles espèces d’intérêt

• Répartition des autotrophes/hétérotrophes

• Compétitions entre les groupes bactériens

• Impact de la gestion du procédé sur la biomasse

Caractérisation des

effluents• Toxicité

• Biodégradabilité

• Impact sur les espèces

Optimisation de la biomasse

•Production de composés spécifiques

• �� expression des gènes de fonction

d’intérêt

Quelques

exemples

d’interrogations

Vers la maîtrise du biofilm


Les outils développés par Veolia

Diversité

Dynamique

ARISA

F420DGGE

Activité

Détection

QuantificationFISH

qPCRPCR

RT-qPCR

Métatranscriptomique

Outils moléculaires

Cibles

Bactéries totales

Archaea

Anammox

AOB

NOB

SOB

Méthanogènes

Accumulateurs PHA


2Influence du design et de l’historique des supports sur la population microbienne dans un procédé Nitritation-Anammox MBBR a un étage

Sébastien LACROIX, Gilberte GAVAL, Régis GAGNEUX, Anne-Sophie LEPEUPLE

Poster 002


Traitement de l’azote conventionnel

Nitrification-Denitrification

NO2-

O2(25%)

O2(75%)

NO3-

AOB

N2

COD

Heterotrophes

NH4+

NO2-

NOB

Heterotrophes

COD

Aerobie Anoxie

O2 COD


Traitement de l’azote voie Anammox

Nitrification Partielle & réaction Anammox

NO2-

O2(40%)

NO3-

AOB

N2

COD

Heterotrophs

NH4+

NO2-

NOB

Heterotrophs

COD

Aérobie Anoxie

O2 COD

N2 + 2 H2O

Heterotophs

NO2-

Anoxie

Dénitrification

COD (0%)

AnAOB

Anaerobie / Autotrophe

Coloration rouge

Temps de génération = 10-15 jours

NH4+

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Application Anammox en procédé MBBR

20/10/2011 Veolia Environnement Recherche & Innovation

SupportBiomasse

AirEntrée

Sortie


BiofilmSupport

Liquide NH4+

NO2-AOB

AnAOB

N2O2

Aérobie

Anoxie

Anammox

NOB

AOB

Application Anammox en procédé MBBR


Objectif de l’étude

Quelle est la meilleure

stratégie de démarrage :

Supports neufs VS supports

pré-colonisés?

Caractérisation microbienne :

→ AnAOB, AOB, NOB (qPCR)

Question Outils

Suivi pilote 13 mois

Volume Liquide : 2.16 m3

Effluent : sortie digesteur [NH4] = 300-500 mgH-NH4/L

Ratio volume supports: 50%

Ensemencement avec supports K1 pré-colonisés parAnAOB

20/10/2011 Veolia Environnement Recherche & Innovation21

Description des supports

Supports de type Chip Supports de type K

K1

500m²/m3

MiniChip (MC)

1500m²/m3

ChipM CM)

1200m²/m3

K3

500m²/m3

K1N

500m²/m3

AnAOB et biofilm nitrifiant

Ajoutés à J0

Proportion≈ 39%

Biofilm nitrifiant (AOB et NOB) et pas d’AnAOB

Ajoutés à J0, Proportion≈ 60%

Nouveaux supports

Surface spécifique : Chip-type > K-type

Epaisseur Biofilm : K-type > Chip-type

Ajoutés après 100 jours d’opération

Proportion ≈1%


Colonisation des supports

Suivi des AnAOB, AOB and NOB par qPCR

2

Résultats


Colonisation des supportsK3K1 CMMC

0

5

10

15

20

25

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Months

DN

A m

g/m

²

K1 MC

0

5

10

15

20

25

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Months

DN

A m

g/m

²

K1N CM K3

• Quantité de biomasse stable pour K1 and MC

• Colonisation rapide des nouveaux supports

• Densité de biomasse supérieure pour K1 (importance du design du support)

0

5

10

15

20

25

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Months

DN

A m

g/m

²

K1 MC K1N CM K3

• Quantité ADN total est corrélée à la quantité de biomasse

24

Suivi des populations AnAOB par qPCR*

1,0E+09

1,0E+10

1,0E+11

1,0E+12

1,0E+13

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Months

Cop

ies/

m²

MC K1

• MC ≈ K1 after only 2 months

• Colonization on all carriers: K1N > MC and K3

• Colonization and detection of AnAOB activity after 3 months

1,0E+09

1,0E+10

1,0E+11

1,0E+12

1,0E+13

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Months

Cop

ies/

m²

K1N CM K3

1,0E+09

1,0E+10

1,0E+11

1,0E+12

1,0E+13

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Months

Cop

ies/

m²

MC K1N CM K3 K1

K3K1 CMMC

* PCR protocol described by Tsushima et al. (2007)

1E+12

1E+13

1E+14

1E+15

1E+16

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Months

Cop

ies/

m3 ré

acto

r

MC K1

Considérant la surface spécifique (m²/m3), les supports

Chip ont densité supérieure de AnAOB que les supports K


Suivi des populations AOB par qPCR** PCR protocol described by Rottehauwe et al. (1997)

K3K1 CMMC

1.0E+08

1.0E+09

1.0E+10

1.0E+11

1.0E+12

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Months

Cop

ies/

m²

MC K11.0E+08

1.0E+09

1.0E+10

1.0E+11

1.0E+12

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Months

Cop

ies/

m²

K1N CM K31.0E+08

1.0E+09

1.0E+10

1.0E+11

1.0E+12

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Months

Cop

ies/

m²

MC K1N CM K3 K1

� Plus d’AOB sur MC que sur K1

� Colonisation rapide des nouveaux supports (≈ 5 mois)

� K1N colonisation plus importante que les autres nouveaux supports ≈ MC & K1

•Considérant la surface spécifique, supports Chip-type = AOB population plus dense


Suivi des populations NOB par qPCR*

K3K1 CMMC

1.0E+08

1.0E+09

1.0E+10

1.0E+11

1.0E+12

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Months

Cop

ies/

m²

MC K1

1.0E+08

1.0E+09

1.0E+10

1.0E+11

1.0E+12

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Months

Cop

ies/

m²

CM K3 K1N1.0E+08

1.0E+09

1.0E+10

1.0E+11

1.0E+12

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Months

Cop

ies/

m²

MC CM K1 K3 K1N

� K1 = densité NOB la plus grande (10x plus que MC)

� Colonisation des nouveaux supports par les NOB

� Densité en NOB des nouveaux supports ≈ densité NOB MC

� Pas d’inhibition de la réaction Anammox

* PCR protocol described by Dionisi et al. (2002)


Conclusions et perspectives

Conclusions• Le design des supports a un impact la structure du biofilm et donc la densité

des populations recherchées

• Le design des supports influence la spécificité de la colonisation : plus d’AOB etmoins de NOB sur MiniChips

• Une Pré-colonisation avec un biofilm nitrifiant n’améliore pas spécialementl’implantation des Anammox

• L’ajout d’une proportion supports pré-colonisés (Anammox) permet unecolonisation rapide des supports neufs

Perspectives• Détermination de la stratégie de démarrage la plus efficace pour le procédé

MBBR Anammox (% inoculation)


Merci de votre attention

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