vers la maîtrise du biofilm dans les procédés à biomasse...
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)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
Le traitement biologique
Dégradation de la matière organique carbonée
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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
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Traitement de l’azote
Nitrification-Dénitrification
NO2-
O2
O2
NO3-
AOB
N2
COD
Hétérotrophes
NH4+
NO2-
NOB
Hétérotrophes
COD
Aérobie Anoxie
O2 COD
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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
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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 mise en œuvre des biofilms dans le traitement
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MBBR : Moving Bed biofilm reactor
La mise en œuvre des biofilms dans le traitement
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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
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La mise en œuvre des biofilms dans le traitement
Digestion anaérobie sur biofilms
Co-enzyme F420
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• 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
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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
)20/10/2011 Veolia Environnement Recherche & Innovation
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
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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
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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
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SupportBiomasse
AirEntrée
Sortie
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BiofilmSupport
Liquide NH4+
NO2-AOB
AnAOB
N2O2
Aérobie
Anoxie
Anammox
NOB
AOB
Application Anammox en procédé MBBR
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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
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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%
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Colonisation des supports
Suivi des AnAOB, AOB and NOB par qPCR
2
Résultats
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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
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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
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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
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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)
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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)