Développement d'un nouveau bioprocédé utilisant les biocoagulants/biofloculants produits par les microorganismes pour la séparation solide/liquide des boues d'épuration.

摘要

Au cours du traitement des eaux usées, une importante quantité de boues (contenant ~ 2-ud5% de solides) est produite. Afin de réduire leur volume, les boues sont décantées et déshydratées.udLes méthodes physiques exigent beaucoup de main-d'oeuvre, d‘électricité, et d'entretien. Le recoursudaux méthodes chimiques utilisant des polymères cationiques de synthèse (CSP) pour neutraliser lesudparticules de boues chargées négativement s‘avère être coûteux, polluant et très toxique.udL‘alternative pour réduire au minimum l'utilisation des CSP est le recours à une approcheudbiologique utilisant les biocoagulants ou biofloculants.udDepuis cinq décennies, les chercheurs étudient le rôle des substances polymériquesudextracellulaires microbiennes [SPE] produites au cours du processus de boues activées. Les SPEudjouent un rôle majeur dans la formation des bioflocs, leur structuration et leur charge à la surface etuddans les procédés de décantation et de déshydratation des boues. Les bioflocs sont formés avec desudagrégats microbiens, des souches bactériennes filamenteuses, des particules organiques etudinorganiques, qui sont maintenus par les SPE. Ces dernières sont principalement constituées deudpolysaccharides, de protéines, d‘acides nucléiques et d'autres composants cellulaires. Il a étéudconstaté que les SPE sont soit sécrétées à l'extérieur de la cellule (dépôt gluant) ou liées à la paroiudcellulaire (EPS capsulaire). Les dépôts gluants sont généralement détachés de la cellule au cours deudla centrifugation alors que les SPE capsulaires sont stables et restes fixées à la paroi cellulaire desudmicro-organismes pendant le processus de séparation.udJusqu'à ce jour le développement de procédés de biofloculation des boues se heurte àudplusieurs problèmes : (i) les interactions entre les SPE et les boues solides ne sont pas bienudconnues, (ii) le rôle d'autres composants actifs des SPE (protéines, lipides et glucides) dans laudformation des bioflocs est indéterminé et (iii) la production de SPE dans les boues activées est unudprocesus non contrôlé. Sur la base des expériences passées, il est difficile de contrôler uneudcommunauté microbienne au cours du traitement des eaux usées pour produire des SPE spécifiquesudet/ou de favoriser la croissance d‘une souche microbienne aux dépends des autres.udPour remédier à ces problèmes, nous avons entrepris d‘isoler vingt-cinq souchesudbactériennes productrices de SPE, à partir des boues d'épuration municipales. Les microorganismesudont été choisis en se basant sur leur production de SPE sur le milieu de croissance. Lesudsouches microbiennes productrices de SPE ont été identifiées par séquençage de leur ADNr 16S.udCes souches ont été cultivées individuellement sur un milieu synthétique et ont produit uneudquantité importante de SPE (jusqu'à 36 g/L). Toutefois, lorsqu'elles sont cultivées dans unudconsortium de flores microbiennes (conditions naturelles de croissance dans les boues activées),udelles produisent une quantité plus faible de SPE. Trois types de SPE [dépôt gluant, SPE capsulairesudet le bouillon bactérien (combinaison des deux SPE)] ont été récoltés et leurs caractéristiques ontudété étudiées. La concentration des biofloculants (poids sec), la viscosité et leur charge à la surfaceud(potentiel zêta variant entre -18 à -80mv) ont également été mesurées. L‘aptitude des SPE àudfloculer a été évaluée par la mesure de l‘activité de floculation du kaolin (FA). Cette activité audvarié entre 77 et 90% dans l'ordre dépôt gluant > SPE capsulaire > SPE dans le bouillon bactérien.udMalgré leur charge négative, les dépôts gluants ont révélé la meilleure activité deudbiofloculation par rapport à celle du bouillon bactérien et des SPE capsulaires. Les dépôts gluantsudsont sous forme de longues chaînes polymériques que et comportent de ce fait plus de sites deudfixation des particules de boue, des micro-organismes et des agents de liaison (cations). Les SPEudcapsulaires forment des bioflocs en formant des co-agrégats avec d'autres microbes; la taille duudfloc est donc moins importante. Les mauvais résultats obtenus avec le bouillon bactérien sont leudplus probablement dus à l'obstruction des sites actifs du dépôt gluant par les masses bactériennes.udCette observation explique le fait que les SPE produites naturellement dans les procédés de boues udactivées (ASP) ou de digestion aérobi ne sont pas très efficaces pour floculer les boues. En fait,udune concentration trop élevée de SPE conduit à une mauvaise floculation. Ainsi les dépôts gluantsudont montré une meilleure biofloculation que les SPE capsulaires et le bouillon bactérien. En seudbasant sur la mesure de l‘activité de floculation du kaolin, nous avons sélectionné six souchesudbactériennes (BS2, BS8, BS9, BS11, BS15 et BS25). Les dépôts gluants produits par ces 6 souchesudont été étudiés pour leur capacité à décanter et à déshydrater les boues [par la mesure de l‘indice deudvolume des boues (SVI)] et le temps de succion capillaire (CST), respectivement]. Il a été constatéudque la capacité de biofloculation de ces extraits était similaire à celles des polymères cationiquesudsynthétiques (CSP).udDes études sur la caractérisation chimique des dépôts gluants ont également été réalisées.udNous avons constaté que le taux d‘hydrates de carbone (TC) dans les SPE est plus élevé que celuiuddes protéines totales (TP) dans tous les cas, sauf dans le cas du consortium bactérien. Après avoirudcalculé le pourcentage de TC et de TP, il a été constaté que les SPE produites par la culture deudsouches pures étaient principalement composées de lipides, d‘ADN et d'ARN. Les SPE des bouesudsont, quant à eux, majoritairement constituées de lipides, d‘une phase minérale, d‘acidesudorganiques, d‘acides nucléiques et d'autres (non identifiés). Aussi, le ratio TC/TP des SPE desudsouches pures est plus élevé que ceux produites par le consortium bactérien. Mais dans cette étude,udnous avons constaté que les hydrates de carbone ainsi que les autres composants des SPE (lipides,udADN, ARN) jouent un rôle majeur dans la décantation des boues. Cela montre que les souchesudbactériennes isolées à partir de boues d'eaux usées municipales produisent une plus grande quantitéudd'hydrates de carbone et d'autres composants. C‘est pour cette raison que le rôle de ces composésuddans la formation de floc et la décantation des boues doit être étudié.udDans le même contexte, une souche de champignon filamenteux a été isolée à partir desudboues d'épuration. Elle a été utilisée pour évaluer sa capacité à réduire les solides et les agentsudpathogènes, à décanter et à déshydrater les boues. Le champignon a révélé une bonne réduction desudmatières solides et une déshydratabilité améliorée. L‘étude de reproductibilité, menée dans unudbioréacteur de 10L, a confirmé les résultats obtenus à savoir une réduction des MES d‘environud54%, une réduction de 2 à 4 unités log d‘agents microbiens pathogènes et une meilleureuddéshydratabilité des boues (CST 20s). udDuring wastewater treatment, a substantial amount of sludge is produced and to reduce itsudvolume (which contains ~2-5% solids) the sludge is settled and subsequently dewatered. Physicaludmethods requires high manpower, electricity, high operational and maintenance cost. Chemicaludmethods employ expensive and toxic cationic synthetic polymers (CSP) to neutralize negativelyudcharged sludge particles. To minimize the use of CSP an alternative and suitable, novel way is touduse biocoagulants/bioflocculants.udSince the past five decades researchers have been studying the role of microbial extracellularudpolymeric substances (EPS) produced during activated sludge process. EPS are known to play audmajor role in bioflocs formation, bioflocs structure and surface charge and in sludge settling anduddewatering. Bioflocs are formed together with microbial aggregates, filamentous bacterial strains,udand organic and inorganic particles, which are held together by EPS. They mainly consist ofudpolysaccharides, proteins, nucleic acids and other cellular components. It was found that theseudtypes of EPS are either secreted outside the cell (slime EPS) or cellular bound (capsular EPS).udSlime types of EPS are generally washed out from cells during centrifugation/harvesting whereasudthe capsular EPS are stable and attached on the cell wall of microorganisms during the separationudprocess.udTo date the problems in successful development of sludge bioflocculation process are mainlyuddue to (i) the interactions between EPS and sludge solids is not known; (ii) the role of other activeudcomponents of EPS (proteins, lipids and carbohydrates) in biofloc formation also have not beenudidentified; and (iii) uncontrolled production of EPS in activated sludge process. Based on the pastudexperience, it is difficult to control a specific microbial community during wastewater treatment toudgenerate preferred EPS and/or foster the growth of favorable microorganisms to produce EPS.udTo address these problems, twenty-five EPS producing bacterial strains were isolated fromudmunicipal wastewater sludge. Microorganisms were selected based on EPS production property onudthe growth medium. EPS producing microbial strains were identified based on the 16S rDNA geneudsequencing. These strains when grown individually in synthetic medium produced substantialudquantity of EPS, up to 36 g/L. However, when grown in consortium (as they grow naturally inudactivated sludge or aerobic sludge digestion process), they produced lower quantity of EPS. Threeudtypes of EPS [slime, capsular and bacterial broth (combination of both slime and capsular)] wereudharvested and their characteristics were studied. Bioflocculant concentration (dry weight),udviscosity and their charge (using Zetaphoremeter, zeta potential varied between -18 to -80 mv)udwere also measured. Bioflocculation ability of obtained EPS was evaluated by measuring theudkaolin clay flocculation activity (FA). Kaolin (FA) varied 77-90% in the order of slime EPSud>capsular EPS >EPS in bacterial broth.udSlime EPS revealed the best bioflocculation efficiency compared to those in bacterial pelletudand bacterial broth in spite of their negative charge. Slime EPS possessing longer polymeric chainudthan the others (capsular and broth) carries more active sites to bind with the sludge particles,udmicroorganisms and bridging agents (cations). Whereas, capsular EPS forms biofloc by formingudco-aggregates with other microbes; therefore, the floc size was less. The poor performance ofudbacterial broth on sludge settling was most likely due to the blockage of the slime EPS active sitesudby bacterial pellet. This fact also explained that EPS produced naturally in activated sludge processud(ASP) or aerobic sludge digestion process was not very effective in sludge flocculation; in fact,udhigh EPS concentration led to very poor flocculation. Thus slime EPS was better in bioflocculationudthan EPS in capsular and bacterial broth. Six bacterial strains (BS2, BS8, BS9, BS11, BS15 andudBS25) were selected based on the kaolin clay flocculation. Slime EPS from six bacterial strainsudwere studied in terms of sludge settling [sludge volume index (SVI)] and dewatering [capillaryudsuction time (CST)]. The bioflocculation capacity was compared with CSP, which was found to beudsimilar.udStudies on chemical characterization of extracted slime EPS were also conducted. The totaludcarbohydrates (TC) concentration in EPS was higher than total protein (TP) concentration in alludcases except the bacterial consortium. After calculating the percentage of TC and TP, it was foundudthat EPS produced by pure culture strains mainly consisted of other components such as lipids,udDNA and RNA. In sludge EPS, the major portion could be lipids, mineral phase, organic acids,udDNA, RNA and other undefined compounds. Calculated TC/TP ratio showed pure bacterial strainsudpossess higher TC/TP ratio than the consortium and sludge EPS. But in this study we found thatudcarbohydrates and other (lipids, DNA, RNA) components play a major role in sludge settling. Thisudshowed that bacterial strains isolated from municipal wastewater sludge produced more quantity ofudcarbohydrates and other components. Further, role of these compounds in floc formation andudsludge settling needs to be studied.udSimilarly, a floc forming filamentous fungal (FF) strain was isolated from wastewater sludge.udFF strain was used to evaluate their potential in solids reduction, pathogen reduction, sludgeudsettling and dewatering. FF strain revealed better solids reduction and enhanced dewaterability.udThe reproducibility study, conducted in a 10 L bioreactor, revealed enhanced suspended solidsudreduction (54%), 2-4 log cycle pathogen reductions and better sludge dewaterability (CST 20 s).