Caractérisation morphologique et physiologique de la biomasse des boues activées par analyse d'images

par Denis Pandolfi

Thèse de doctorat en Génie des procédés

Sous la direction de Marie-Noëlle Pons.

Soutenue en 2006

à Vandoeuvre-les-Nancy, INPL .


  • Résumé

    Les réacteurs des stations d'épuration des eaux usées par boues activées mettent en oeuvre un écosystème hautement complexe, où se rencontrent des bactéries, des algues, des protozoaires, des métazoaires. . . Un bon équilibre entre ces différents microorganismes permet une bonne décantation des flocs des liqueurs mixtes (mélange des boues activées et d'eau à traiter) et empêche les phénomènes de " bulking " ou moussage. Les flocs sont composés de bactéries zoogléales productrices d'exopolysaccharides et de bactéries filamenteuses qui en constituent l'ossature. Des méthodes basées sur l'analyse d'images ont été développées pour détecter et caractériser de façon automatique ces dernières ainsi que la teneur en exopolysaccharides. Elles utilisent des images monochromes ou couleurs obtenues par microscopie optique avec des colorants classiques (Gram, Neisser, Noir de Soudan) et fluorescents (BacLight, FISH). La validation des différentes procédures a été réalisée sur des installations situées en Lorraine. Des expériences complémentaires ont été faites sur des réacteurs pilotes de type boues activées en mode continu ou séquentiel, afin de voir l'effet de la nature du substrat, de la température et la famine sur le comportement des microorganismes filamenteux. La comparaison entre une aération continue ou séquentielle pour un même substrat protéique indique que les populations qui se développent sont différentes en terme de caractéristique Gram. L'étude réalisée sur les polysaccharides extracellulaires pour différents rapports carbone/azote montre qu'un excès de matière carbonée favorise la production des polysaccharides indispensables dans la biofloculation des flocs. Les résultats obtenus avec les procédures de caractérisation Gram et de mise en évidence des lipides dans des conditions de stress environnementaux (famine et température) ont montré que les populations subissaient des modifications structurelles de la membrane. Nous avons constaté également que, pendant des périodes de famine aérobie, les inclusions lipidiques étaient consommées à température ambiante alors qu'en anaérobiose ce sont les polyphosphates. En absence ou présence d'oxygène à 4°C, il semblerait que les microorganismes filamenteux stockent plus aisément ces deux métabolites. La coloration BacLight a permis de quantifier la viabilité des boues en famine aérobie et a démontré que les bactéries filamenteuses ou zoogléales étaient affectées contrairement à la microfaune (ciliés)

  • Titre traduit

    Morphology and physiology characterization of activated sludge by image analysis


  • Résumé

    The biological reactors of wastewater treatment by activated sludge are hosting a complex ecosystem, composed of different types of bacteria (filamentous, non filamentous), protozoa and metazoa. A good balance between the different types of bacteria is essential to achieve good settleability properties for the flocs in the clarifier. The flocs are formed by filamentous bacteria and exopolymers produced by zoogleal bacteria. When filamentous bacteria are in excess, the flocs do not settle correctly (bulking and foaming phenomena). Methods based on image analysis have been used to detect and characterize automatically filamentous bacteria as well as the abundance of exopolymers. Monochrome or colour- images have been obtained by optical microscopy with classical (Gram, Neisser, Soudan Black) and fluorescent staining (BacLight, FISH). The validation of the different procedures was achieved on various full-scale treatment plants in Lorraine. Further experiments were carried out on lab-scale continuous and sequential reactors, in order to observe the effect of substrates, of temperature and starvation on the behavior of filamentous microorganisms. Under continuous or sequential aeration, for the same substrate, different Gram characteristics are observed. The study carried out on extracellular polymers with varying carbon/nitrogen ratios reveals that an excess of carbonaceous substance favors the production of polymers, which are essential for flocculation. The results obtained with the Gram and PHB (presence of lipids) procedures in condition of environmental stress (starvation and temperature) have shown that the populations have experienced structural alterations of their membranes. We have noticed that in periods of aerobic starvation the lipids which were present were used in ambient temperature, whereas in anaerobic conditions the polyphosphates were consumed. In absence or presence oxygen at a temperature of 4°C, it seems easier for filamentous bacteria to store those two metabolites. The BacLight coloration has shown that it was possible to quantify the viability of sludge under aerobic starvation and that filamentous or zoogleal bacteria were affected, as opposed to the microfauna

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Informations

  • Détails : 1 vol. (142 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 133-142

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  • Bibliothèque : Université de Lorraine. Direction de la documentation et de l'édition. BU Ingénieurs.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2006 PANDOLFI D.
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