Dynamique de populations épuratives en réacteur ferme et en bioréacteur à membranes continu et séquencé : influence du critère "substrat/biomasse"

par Jorge Alejandro Lobos Buschmann

Thèse de doctorat en Énergétique. Génie des procédés

Sous la direction de Alain Grasmick, Christelle Wisniewski et de Marc Héran.

Soutenue en 2006

à Montpellier 2 .

mots clés

• Bioréacteurs
• Énergie de la biomasse

Résumé

L’objectif principal de ce mémoire a été ciblé sur la compréhension des voies métaboliques et processus bactériens en bioréacteur à membranes (BAM), travaillant avec des ages de boues élevés, et sur leur possible action et influence sur la perméabilité membranaire. L’étude expérimentale a tout d’abord consistait à étudier voie métaboliques et processus bactériens en réacteur fermé afin d’accéder à des paramètres cinétiques et à des informations utiles à la gestion du BAM. L’étude en batch a montré l’importance du ratio S0/X0 (substrat/biomasse) sur les voies de métabolisation suivies par le substrat. Suivant la destination du substrat, synthèse cellulaire ou stockage de produits de réserve, les paramètres cinétiques en phase exogène et le comportement de la culture en phase endogène sont différents. Les essais en bioréacteur à membranes en fonctionnement continu ont été menés sans aucune extraction de biomasse, assurant ainsi des ages de boues élevés, et à partir d’un effluent synthétique à base d’acétate et de Viandox®. Les performances obtenues sont très satisfaisantes en terme de dépollution et de séparation. Un faible taux de conversion, 0. 058 gDCOP. GDCOT-1, a été obtenu et supposé associé à une intensification des processus de maintenance cellulaire, lyse de la biomasse et prédation. Dans l’objectif de favoriser spécifiquement ces processus, identifiés en réacteur fermé, les performances d’un BAM alimenté séquentiellement, mais dans des conditions de charge et age de boues identiques, ont été étudiées. Les performances ont été moins satisfaisantes en terme de dépollution et de filtration que pour le BAM en continu et un taux de conversion plus élevé, 0. 092 gDCOP. GDCOT-1, a été obtenu. La très forte charge volumique et le très fort ratio substrat/biomasse pendant la phase d’alimentation en substrat semblent favoriser une multiplication cellulaire et des processus particuliers (découplage métabolique, par exemple), non favorables à un abaissement du taux de conversion. Les hypothèses du comportement biologique ont été validées avec les modèles classiques de Pirt et ASM3. La modélisation du système montre une stabilisation de la concentration en biomasse active et une accumulation continue de matériels inertes (issus de la respiration endogène de la biomasse). L’intérêt de pouvoir estimer cette fraction de biomasse active, inférieure à 20% dans nos systèmes, est souligné

Titre traduit

Bacterial growth dynamics in activated sludge batch assays and in continuous and sequencing membrane bioreactors : effect of substrate to biomass ratio

Résumé

The aim of this memory is to provide a fundamental understanding of the metabolic ways and bacterial processes in submerged membranes bioreactors (MBR) operated at high solid retention times. The intensification of the membrane separation was studied as well. In a first experimental batch study, the role of the ratio S0/X0 (substrat/biomasse) was clarified. A cellular multiplication process is favoured at high ratios S0/X0 while a storage compound synthesis process is dominant at low ratios. The membranes bioreactors operation was carried on under continuous and sequencing feeds, with a synthetic effluent based on acetate and Viandox®. Comparatively, the performances of the MBR operated in continuous way were more satisfactory with respect to organic matter removal, sludge production and separation. The lower conversion yields substrate to biomass obtained, were associated to the intensification of maintenance cells functions, lysis process and predation activity. The modelling of the system, with the models of Pirt and ASM3, shows a stabilisation of the active biomass concentration and a constant inert materials accumulation (resulting from endogenous respiration). The interest of estimate this fraction of active biomass (lower than 20% in our operational conditions) is underlined. With regard to membrane separation, the biomass accumulated around the fibres seems not play a crucial role in the fouling process. The influence of the macromolecular compounds has been also studied