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.
| Date | 26 oct. 2018 |
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| langue originale | Français |
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| Établissement diplômant | - École de technologie supérieure
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| Superviseur | Frédéric Monette (Directeur(-trice)) |
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