Engineering and microbial aspects of Anammox process in wastewater treatment

Ingénierie et aspects microbiens du procédé Anammox pour le traitement des eaux usées

• Auteur / Autrice : Zhiji Ding
• Direction : Michel Madon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et Techniques de l'Environnement
• Date : Soutenance le 17/12/2015
• Etablissement(s) : Paris Est en cotutelle avec Università degli studi (Cassino, Italie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Géomatériaux et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne) - LGE
• Jury : Président / Présidente : Piet N. L. Lens
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Madon, Giovanni Esposito, Francesco Pirozzi, Antonio Panico, Gilles Guibaud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Claudio Lubello, Massimiliano Fabbricino

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ammonium

Eaux usées -- Épuration

Mots clés libres

Ammonium

Anammox

AerAOB

Salinity

Eps

Résumé

Élimination de l'azote est obligatoire dans moderne usine de traitement des eaux usées (STEP) en raison de sa toxicité à la fois humaine et l'écosystème. Un niveau élevé d'azote peut provoquer une eutrophisation dans le système aquatique. Élimination de l'azote autotrophes qui combine nitritation partielle et Anammox est une technologie attrayante qui est approprié pour une grande force d'ammonium des eaux usées à faible teneur en carbone organique. Toutefois, le ralentissement de la croissance extrême des bactéries Anammox avec le temps de 9-13 jours doubler entrave la pleine application de l'échelle. L'objectif de cette recherche était d'étudier la faisabilité et la stratégie opérationnelle de l'enrichissement Anammox de boues conventionnelle aérobie (réacteur ASR), la dénitrification des boues (Réacteur DSR) et boue anaérobie (réacteur ANR) en utilisant réacteur biologique séquentiel (SBR). Anammox processus a été établi avec succès en DSR avec une élimination de l'azote total d'environ 80% sous le contrôle strict de l'oxygène au bout de 150 jours, ce qui est confirmé par la composition chimique de l'influent / effluents ainsi que l'analyse microbienne. Sous la même condition opérationnelle, ANR atteint seulement 20-30% d'élimination de l'azote total. Avec un temps plus court de rétention hydraulique (HRT) et de contrôle d'oxygène insuffisante, ASR a atteint 50-60% du total élimination de l'azote après 240 jours. Tous les réacteurs ont connu la fluctuation des performances au cours du processus d'enrichissement, qui est censé être la conséquence de facteurs inhibiteurs tels que l'oxygène dissous, sans nitrites et l'ammoniac libre ainsi que les bactéries coexistantes indésirables qui sont en concurrence pour le même substrat. L'électrophorèse sur gel de gradient dénaturant (DGGE) bande à partir des échantillons d'ADN amplifiés extraites ASR lors de l'étape d'enrichissement différente montre une nette évolution de la composition microbienne. Substances polymères extracellulaires (EPS) de différents biomasse Anammox ont été extraites et caractérisé par analyse quantitative et qualitative pour enquêter sur sa corrélation avec le processus d'enrichissement dans un bioréacteur de l'échelle du laboratoire. Une diminution de la protéine au polysaccharide (PN / PS) rapport et une augmentation du rendement total d'extraction EPS ont été observés au cours du processus d'enrichissement. La matrice à trois dimensions excitation d'émission (3D-EEM) a montré un endroit similaire des pics de fluorescence pour tous les échantillons tandis que les échantillons avec des bactéries Anammox possèdent deux pics distincts dans le bas de gamme d'onde d'excitation. Pics multiples excitation peuvent se produire comme en témoigne la fluorescence identique chromatogramme après chromatographie d'exclusion de taille (SEC) à séparation d'excitation / émission de 221/350 nm et 280/330 nm. Rayons ultraviolets (UV) absorbance à 210 nm a été enregistrée en même temps que la détection de fluorescence à une excitation / émission 222/300 nm de longueur d'onde, 221/350 nm et 280/330 nm après séparées par SEC. Avec l'enrichissement de bactéries Anammox, chromatogramme UV montré une augmentation en intensité et en nombre de pics, alors que chromatogrammes fluorescence ont montré nombre maximal similaire et seulement augmentent en intensité. Une augmentation de l'hydrophobie a été observée au cours du procédé d'enrichissement. Les résultats de cette étude sont attendus pour étendre la connaissance de l'évolution du processus d'enrichissement Anammox EPS ainsi que de fournir nouvelle approche pour la caractérisation des EPS extraites de Anammox boues

Removal of nitrogen is mandatory in modern wastewater treatment plant (WWTP) due to its toxicity to both human and the ecosystem. A high level of nitrogen may cause eutrophication in aquatic system. Autotrophic nitrogen removal which combines partial nitritation and Anammox is an attractive technology which is suitable for high Ammonium strength wastewater with low organic carbon content. However the extreme slow growth of the Anammox bacteria with doubling time of 9-13 days hinders its wide full scale application. The aim of this research was to investigate the feasibility and operational strategy of Anammox enrichment from conventional aerobic sludge (Reactor ASR), denitrification sludge (Reactor DSR) and anaerobic sludge (Reactor ANR) using sequencing batch reactor (SBR). Anammox process was successfully established in DSR with a total nitrogen removal of approximately 80% under strict oxygen control after 150 days which is confirmed by chemical composition of the influent/effluent as well as microbial analysis. Under the same operational condition, ANR reached only 20-30% total nitrogen removal. With a shorter hydraulic retention time (HRT) and insufficient oxygen control, ASR reached 50-60% total nitrogen removal after 240 days. All the reactors experienced fluctuating performances during the enrichment process, which is believed to be the consequence of inhibitory factors such as dissolved oxygen, free nitrite and free ammonia as well as undesirable coexisting bacteria which compete for the same substrate. The denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) band from the amplified DNA samples extracted from ASR during different enrichment stage shows a clear evolution of the microbial composition. Extracellular polymeric substances (EPS) from different Anammox biomass have been extracted and characterized by quantitative and qualitative analysis to investigate its correlation with the enrichment process in a lab scale bioreactor. A decrease of protein to polysaccharide (PN/PS) ratio and an increase in total EPS extraction yield were observed during the enrichment process. The three dimensional excitation emission matrix (3D-EEM) showed similar location of the fluorescence peaks for all samples while samples with Anammox bacteria possess two distinct peaks in the low excitation wavelength range. Multi-excitation peaks may occur as evidenced by the identical fluorescence chromatogram after size exclusion chromatography (SEC) separation at excitation/emission 221/350 nm and 280/330 nm. Ultraviolet (UV) absorbance at 210 nm was recorded simultaneously with fluorescence detection at excitation/emission wavelength 222/300 nm, 221/350 nm and 280/330 nm after separated by SEC. With the enrichment of Anammox bacteria, UV chromatogram showed increase in both intensity and number of peaks, whereas fluorescence chromatograms showed similar peak number and only increase in intensity. An increase of hydrophobicity was observed during the enrichment process. The results of this study are expected to extend the knowledge of EPS evolution of Anammox enrichment process as well as providing novel approach for the characterization of EPS extracted from Anammox sludge