Dénitrification autotrophe sur soufre élémentaire : mise en œuvre à l'échelle de bioréacteurs de laboratoire et diversité microbienne du biofilm

par Anastasiia Kostrytsia

Thèse de doctorat en Sciences de l'ingénieur

Sous la direction de Giovanni Esposito.

Thèses en préparation à Paris Est en cotutelle avec Cassino , dans le cadre de École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec LGE - Laboratoire Géomatériaux et Environnement (laboratoire) .


  • Résumé

    De nos jours, la croissante population humaine et les ressources en eau limitées créent une demande pour des technologies durables de traitement des eaux usées. La dénitrification autotrophe à base de soufre élémentaire (S0) synthétisée chimiquement est une biotechnologie efficace et rentable pour l'élimination des nitrates (NO3-) des eaux usées carencées en substances organiques. Cependant, les propriétés hydrophobes du S0 synthétisé chimiquement limitent son utilisation pour la dénitrification. Par conséquent, l'objectif général de ce projet est d'optimiser les performances et d'explorer les mécanismes de traitement de la dénitrification au S0 dans les systèmes de biofilms, enquêtant l'élimination de NO3- et de nitrites (NO2-), ainsi que la compréhension des communautés microbiennes associées. Pour remédier aux limites des applications de dénitrification par S0 synthétisées chimiquement, la solubilisation de S0 avant la dénitrification et la dénitritation par S0 a été étudiée dans des essais biologiques en discontinu par une approche interdisciplinaire. Plus précisément, les expériences de biocinétique ont démontré que les taux de dénitrification et de dénitritation obtenus étaient respectivement de 20,9 et 10,7 mgN/L∙d. Une analyse microbiologique a mis en évidence la présence de la famille Helicobacteraceae sur des particules S0, probablement responsables de la solubilisation S0. En outre, le modèle d'hydrolyse du S0 catalysé par des organismes microbiens et de la dénitrification en deux étapes a été développé. L'analyse de sensibilité a identifié la dominance des paramètres liés à l'hydrolyse, et a suggéré que l'hydrolyse du S0 à base de surface à catalyse microbienne est l'étape limitante pendant la dénitrification par S0 synthétisée chimiquement. La dénitrification autotrophe avec biosulfure (ADBIOS), un sous-produit de la désulfuration biologique des gaz, a été étudiée dans des essais biologiques par lots comme solution technologique alternative pour le traitement de la pollution par le NO3- dans les eaux usées. Des biocinétiques de dénitrification et de dénitritation significativement plus élevées ont été obtenues avec le biosulfure par rapport au S0 synthétisé chimiquement, avec des activités spécifiques de 223,0 mg NO3--N/g VSS·d et 339,5 mg NO2--N /g VSS·d. Les genres Thiobacillus, Moheibacter et Thermomonas dominaient la communauté microbienne ADBIOS. Enfin, ADBIOS a été étendu au niveau du bioréacteur, et deux réacteurs de biofilm à lit mobile (MBBR) en double remplis de AnoxK1 (K1) et de nouveaux supports de biofilm AnoxK Z-200 (Z-200) ont été utilisés en continu pendant 309 jours. L'effet du taux de charge en nitrates (NLR) sur les performances d'ADBIOS a été évalué en diminuant le temps de rétention hydraulique (THS) de 72 à 21 h. Les taux de dénitrification de 236 et 234 mg NO3--N/L·d ont été atteints à un THS de 24 h pour K1 et à un THS de 21 h pour le support Z-200, respectivement. D'après l'analyse de l'ARN, les mêmes microorganismes actifs, appartenant aux genres Thiobacillus, Truepera, Flavobacterium, Hyphomonas et Sphingopyxiz, dominaient les MBBR avec des porteurs K1 et Z-200, mais leur occurrence était différente.

  • Titre traduit

    Bioengineering optimization and microbial characterization of elemental sulfur-fueled denitrifying biofilms


  • Résumé

    Nowadays, the increasing human population and limited water resources create a demand for sustainable wastewater treatment technologies. Chemically synthesized elemental sulfur (S0)-based denitrification is an effective and cost-efficient biotechnology for nitrate (NO3-) removal from organic-deficient wastewaters. However, the hydrophobic properties of S0 constrain its utilization for denitrification. Therefore, the goal of this project is to optimize the performance and explore the treatment mechanisms of S0-fueled denitrification in biofilm systems, through the investigation of NO3- removal, and the understanding of the associated microbial communities. To address the limitation of the chemically synthesized S0-driven denitrification applications, S0 solubilization prior to S0-driven denitrification was investigated in batch bioassays. The biokinetic experiments demonstrated that the achieved denitrification and denitritation rates were 20.9 and 10.7 mg N/L∙d, respectively. Microbiological analysis detected the presence of the Helicobacteraceae family onto S0 particles, that was likely responsible for the S0 solubilization. In addition, the model of microbially-catalyzed S0 hydrolysis and subsequent two-step denitrification was developed. The sensitivity analysis identified the dominance of the hydrolysis-related parameters, and suggested that microbially-catalyzed surface-based S0 hydrolysis is the rate-limiting step during chemically synthesized S0-driven denitrification. Autotrophic denitrification with biosulfur (ADBIOS), a by-product of biological gas desulfurization, was investigated in batch bioassays as an alternative technological solution for treating NO3- pollution in wastewaters. Significantly higher denitrification and denitritation biokinetics were obtained with biosulfur compared to chemically synthesized S0, with specific activities of 223.0 mg NO3--N/g VSS·d and 339.5 mg NO2--N/g VSS·d. The Thiobacillus, Moheibacter and Thermomonas genera were dominating the ADBIOS microbial community. Two duplicate moving-bed biofilm reactors (MBBRs) with AnoxK1 (K1) and AnoxK Z-200 (Z-200) biofilm carriers were operated for 309 days. The effect of the nitrate loading rate (NLR) on the ADBIOS performance was studied by decreasing hydraulic retention time (HRT) from 72 to 21 h. The denitrification rates of 236 and 234 mg NO3--N/L·d were achieved at an HRT of 24 h for K1 and an HRT of 21 h for Z-200 carrier, respectively. Based on RNA analysis, the same active bacteria, belonging to Thiobacillus, Truepera, Flavobacterium and Hyphomonas genera, were dominating MBBRs with K1 and Z-200 carriers, but they varied in occurrence.