Contribution à l'étude des granules aérobies et à la production d'ALE : effets d'une charge organique élevée et de différents DCO/N

A contribution to the study of aerobic granulation and ALE production : effects of a high organic load, and different COD/N

• Auteur / Autrice : Sidonie Durieux
• Direction : Etienne Paul, Yolaine Bessière
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 23/09/2022
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : TBI - Toulouse Biotechnology Institute, Bio & Chemical Engineering - Toulouse Biotechnology Institute / TBI
• Jury : Président / Présidente : Elisabeth Girbal
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Derlon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Philippe Delgenes, Sylvie Gillot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dénitrification

Nitrification

Eaux usées

Mots clés libres

Boues granulaires

Eaux usées

Nitrification/dénitrification

Pao

Gao

Ale

Granular sludge

Wastewater treatment

Nitrification/denitrification

Pao

Gao

Ale

Résumé

La granulation aérobie permet plusieurs réactions au sein du même bassin ainsi qu’une sédimentation rapide (Morgenroth et al., 1997). De plus, la valorisation potentielle des ALE (exopolymères semblables aux alginates) semble être une voie intéressante dans le cadre de l’économie circulaire, encouragée par l’union européenne (van Leeuwen et al., 2018).Les procédés à boues granulaires sont déjà utilisés pour traiter les eaux usées domestiques et industrielles (Pronk et al., 2015). Cette thèse s’intéresse à la possibilité de valorisation des ALE produits à partir d’eaux usées particulières (industrielles), fortement chargées. La viabilité de cette valorisation à partir d’eaux usées chargées à différents DCO/N et faible DCO/P a d’abord été assurée par l’étude de la granulation dans ces conditions. L’impact des conditions opératoires sur la croissance de bactéries à faible taux de croissance (les accumulateurs de phosphates et glycogène, PAO et GAO), et leur impact sur la granulation ont ensuite été étudié. Finalement, la granulation et la production d’ALE ont été suivies pour des fortes charges, qui ont entrainé la modification des conditions opératoires, en particulier la charge spécifique.Une approche combinant expériences et modélisation a été choisie. Les granules ont été formés dans des réacteurs colonnes à bulles d’échelle pilote, 17 L, conduit en batch séquentiels. Le cycle se composait d’une phase anaérobie et d’une phase aérobie, et la montée en charge progressive a permis la formation des granules. La DCO était composée de glucose, AGV (acétate et propionate) et de peptone. Le procédé a été modélisé dans le logiciel SUMO développé par Dynamita, et les résultats ont servi à l’interprétation des observations expérimentales.Dans un premier chapitre, la granulation à haut et bas DCO/N ont été comparées. Alors que la granulation à haut DCO/N a rapidement été observée, un ratio DCO/N bas a conduit à la défloculation. Il a été déduit par l’étude de l’activité microbienne que la nitrification ne permettait pas le développement de PAO qui stabilisent habituellement la granulation. De plus, il est apparu que les nitrifiants étaient rapidement lessivés du fait de l’importante pression de sélection appliquée. La perte de la nitrification a conduit à une augmentation importante de la concentration en ammonium et en ammoniaque, ce qui a conduit in fine à la défloculation et à une modification des populations présentes.Dans le deuxième chapitre, le rôle des PAO et GAO dans la granulation a aussi été étudié pour un rapport DCO/P élevé. Des réacteurs avec et sans le lessivage de ces populations ont été comparés. La présence de PAO et GAO assurait la consommation anaérobie de la DCO. Lorsque ces organismes ont été lessivés, des filamenteux se sont développés dans le réacteur. Dans le même temps, la consommation anaérobie et le relargage de phosphates ont diminué brutalement, indiquant la perte de PAO et GAO. L’obtention de granules a ensuite été permise par la réduction de la pression de sélection. L’étude de l’activité microbienne a montré que cette nouvelle granulation ne dépendait pas d’un rebond de la consommation anaérobie, malgré un changement de population significatif.Finalement, le dernier chapitre s’est intéressé à l’impact de la charge spécifique (de 0,3 à 0,65 g DCOS/g VSS/j), en augmentant progressivement la charge volumique, sur la stabilité des granules aérobies formés et a évalué la production d’ALE dans ces conditions. L’importante charge organique imposée a conduit à un faible SRT qui lui-même a conduit à une concentration en ALE faible au sein des granules. Une corrélation entre charge spécifique et concentration en ALE a été observée.En conclusion, différents défis que présente la valorisation des eaux usées industrielles ont été étudiés au cours de cette thèse, afin d’apporter de nouveaux éléments pour pouvoir les relever.

Aerobic granular sludge allows multiple reactions and fast-settling among the same tank (Morgenroth et al., 1997). In addition, the potential valorization of ALE (alginate-like exopolymers) seems an interesting route for circular economy of wastewaters (van Leeuwen et al., 2018).Granular sludge processes are already used for domestic and industrial wastewaters treatment (Pronk et al., 2015). This thesis was interested in studying the possibility to valorize ALE from particular (industrial), highly loaded wastewaters. Viability of this valorization from highly loaded wastewaters was first ensured by studying granulation with high OLR (organic loading rate), various COD/N and low COD/P. Following, the impact of operating conditions on slow growers (phosphate- and glycogen-accumulating organisms, PAO and GAO), and their own impact on granulation have been studied. Finally, granulation and ALE production were monitored for high loading rates, that led to modification of operating conditions, in particular the food-to-microorganisms (F/M) ratio.The main objectives of this thesis were:- Get better knowledge on the granulation process under different COD/N ratio in the feeding.- Understand the dependence between the specific organic loading rate (or food/microorganism ratio (F/M)) and the ALE production rate.The approach was based on both experimental studies and modelling. Reactors used were semi-pilot of 17 L. They were operated as bubble column sequenced batch reactors (SBR) with an anaerobic/aerobic cycle. The granulation was obtained by progressive increase of the organic loading rate (OLR) from 1 to 3 kg COD/m3/d. The COD substrates were glucose, VFA (acetate and propionate) and peptone. Modelling was used to interpret the experimentally obtained results using the SUMO software from Dynamita.In the first chapter of this thesis the granulation under high and low COD/N was compared. Whereas granulation was successful for high COD/N, low COD/N led to deflocculation. Studying the microbial activity, it was observed that nitrifiers had been washed out, due to the high selection pressure. This nitrification loss led to an increased ammonium concentration and corresponding free ammonia concentration, causing deflocculation and microbial shift. Those effects were compared with effects of low COD/N on already obtained granules. Granules maintained, even under low COD/N, and could even be favorized.In the second chapter, the role of PAO and GAO in granulation, under high COD/P ratio, was also studied by comparing reactor with and without washout of those slow growers. The presence of PAO and GAO ensured anaerobic consumption of the COD. When they were washed out filamentous growth was observed at the same time as a sharp decrease of the anaerobic COD consumption and phosphates release, indicating the loss of PAO and GAO. A replicable shift of population was observed. Decreasing the selection pressure allowed the formation of granules, thanks to another microbial shift, which relied on completely different metabolisms as the anaerobic COD consumption never rose again. The results obtained were compared with simulation.Finally, the third chapter studied the impact of F/M (0.3 to 0.65 g CODS/g VSS/d) by increasing progressively the OLR, on the aerobic granular sludge system stability and evaluated the ALE production under these conditions. The high organic loading rate imposed a short SRT that led to a low ALE concentration among the obtained granules and the ALE concentration was observed to be correlated to the applied F/M.As a conclusion, different challenges to be faced for valorization of industrial wastewaters have been studied during this thesis, in order to bring new knowledge to better face them.