Modélisation des échanges thermiques et de la circulation d'air dans un lit bactérien

La température dans un lit bactérien a une influence prépondérante sur les réactions biologiques qui s'y déroulent.Le modèle développé ici présente une formulation qui permet de calculer un profil de température, et donc une température moyenne de l'eau à l'intérieur du lit bactérien, à partir des grandeurs suivantes : débit et température d'entrée du liquide, température et humidité de l'air extérieur et caractéristiques d'échange thermique de la tour. De plus, il permet d'appréhender la circulation de l'air induite par tirage naturel dans la tour, moyennant la connaissance des coefficients de pertes de charge associés au garnissage utilisé, ainsi qu'aux ouïes d'aération.En sus de la formulation du modèle, les tout premiers résultats d'ajustement du modèle obtenus sur installations pilotes sont présentés. Le développement de la méthode devrait permettre d'optimiser la température de fonctionnement du lit tout en garantissant une circulation suffisante de l'air dans l'appareil.The temperature is one of the main parameters governing the biological reactions in a trickling filter.The present model proposes a set of equations applicable for the determination of a temperature profile, and therefore of an average temperature, inside the trickling filter, when the flowrate and the temperature at entry of the liquid, the ambient air conditions (temperature and humidity) and the thermal exchange coefficients of the tower are known. Moreover, the airflow induced by natural draft is also computed when the head loss coefficients in the media and at entry are known.Beside this formulation, the first results of modal fitting on pilot plants are discussed. With few further developments, the method could be useful for the optimization of the operating temperature in a trickling filter which guarantees a sufficient airflow rate in the tower

Potentialités des bioélectrodes et des bioréacteurs à biomasse fixée pour l'estimation rapide de la DBO

La méthode standard de détermination de la Demande Biochimique en Oxygène (DBO-5 jours par dilutions) présente certains inconvénients bien connus dont celui de ne pas être exploitable pour la gestion en temps réel d'un procédé d'épuration. De ce fait, divers types d'appareils d'estimation rapide de la DBO, basés sur des méthodes respirométriques, ont été imaginés dans le passé et même commercialisés pour certains.Dans cette étude, des appareils d'estimation rapide de la DBO de types bioélectrode et réacteurs à biomasse fixée (écoulement piston et parfaitement mélangé) ont été mis en oeuvre, après avoir été développés ou modifiés sur base de concepts déjà existants. Une attention particulière a été portée sur la validité de ces appareils, la crédibilité de leurs mesures et la définition de leur champ d'action.De par leur principe de fonctionnement (injection en flux), la bioélectrode et le bioréacteur piston sont des appareils qui doivent être calibrés et dont la biomasse immobilisée doit être préalablement adaptée à l'échantillon à analyser. La solution de calibration est essentielle et doit être qualitativement la plus proche possible de l'échantillon à analyser.Le bioréacteur parfaitement mélangé se distingue des deux premières méthodes car il travaille théoriquement en consommation totale du substrat. La méthode ne nécessite pas de calibration mais implique, avant toute mesure de respirogramme, la détermination d'un paramètre supplémentaire, le coefficient de transfert de l'oxygène.De manière générale, la principale conclusion de l'étude réside dans la difficulté de ces appareils à fournir une DO (Demande en oxygène) corrélable à la DBO5 conventionnelle. Leur champ d'application reste en effet limité aux substrats rapidement biodégradables.Leurs potentialités restent cependant conformes aux besoins de contrôle rapide des charges organiques polluantes en entrée et sortie des stations d'épuration.BOD (Biochemical Oxygen Demand) is an important parameter to characterize organic pollution in aquatic environments and sewage. The five-day period required by the classical dilution method (BOD5) is incompatible with real-time control of a sewage treatment plant. Moreover, the assay procedure (closed respirometer, very diluted samples) is not only far from real growing conditions but also far from conditions in sewage treatment plants.Several devices for rapid BOD estimation, all based on respirometric methods, have been developed and tested. These devices can be grouped into 2 categories:- an immobilized biomass plug-flow reactor and a bioelectrode, both based on a flow injection principle; - an immobilized biomass perfectly mixed reactor, based on an open respirometer principle. We have focused mainly on validating the principles, checking the measurement reliability, and defining more precisely the scope of the various devices.The bioelectrodeThe BOD bioelectrode that we developed relies on a classical configuration that uses a yeast strain (Trichosporon cutaneum) as the biological receptor and a Clark probe as the transducer. The main changes made in this system are as follows:- a second biomembraneless Clark probe was added to the 16-ml measuring cell to serve as a reference probe in order to remove experimental disturbances (temperature, oxygen transfer coefficient, dissolved oxygen concentration, etc.). - the second change was to include the respirogram area among the data available for processing. The signal utilized in this set-up is the difference between the signals provided by the two probes. Our conclusions are as follows:- Concerning the signal processing, manufacturers are currently guided by the desire to develop devices able to estimate the BOD of a large range of substrates or effluents in a very short time (a few minutes for the newest devices). However, it seems useful, even necessary in many cases (complex mixtures of components that are oxidized at variable rates), to use information provided by the respirogram shape and area. This approach allows one to maximize the BOD bioelectrode's range for a given immobilized strain, although the trade-off is a longer total run time. - Concerning the adaptation period for microorganisms, it is impossible to correctly estimate BOD from various effluents without first adapting the biomaterial to the type of substrate to be analyzed. Therefore it is dangerous to consider a BOD bioelectrode as an analytical instrument, because an adaptation period is required after any change in the composition or, even more so, type of effluent. - Concerning the correspondence between rapid BOD and BOD5, the BOD sensor can detect only the BOD of soluble compounds that can diffuse through the biomembrane and that will be metabolized during the time of analysis. The difference observed between BOD sensor and BOD5 depends on the calibration solution but also and even more on the structure and size of the molecules constituting the sample to be analyzed. - Concerning the choice of calibration solution, choosing the right calibration solution is crucial. The calibration solution should therefore be qualitatively as close as possible to the test sample. The immobilized biomass bioreactorsThe plug-flow reactorThe plug-flow reactor design was validated for simple substrates; its working principle is similar to the bioelectrodes, since it relies on flow-injection analysis (FIA). In the case of the plug-flow reactor, the only usable information for BOD estimation is the respirogram area, as the peak height quickly reaches a rather constant value due to saturation of the immobilized microorganisms. However, the importance of the many physical and biological processes that occur concomitantly in the system (transfer, adsorption, substrate consumption, substrate saturation phenomena, dilution rate, etc.) makes a theoretical mathematical model of the reactor more difficult to establish. A long-term, more fundamental study of various natural or artificial substrates might ultimately enable us to reach such a goal.On the other hand, a variant of this reactor that recirculates the partially-degraded effluent until it is completely consumed yielded a linear correlation between system response (respirogram area) and substrate amount. In this system, oxidation of the rapidly biodegradable substrates is total under our operating conditions. This alternative reactor seems to have some very interesting possibilities, especially with regard to the automation of the system.The perfectly mixed reactorThe utilization of the perfectly mixed reactor for rapid BOD estimation is based on two sequential experiments - although this has the disadvantage of increasing the total run time - to obtain the respirogram area (S) and oxygen transfer coefficient (KL.a), as the units of the product (KL.a x S) of these parameters are equivalent to those of oxygen demand and their product is the variable that best correlates with the substrate injection volume. This correlation was observed for a large range of substrates. In the case of the perfectly mixed reactor, unlike bioelectrodes,- diffusion processes have no effect on measurement, as the substrate is consumed completely during the experiment; - the substrate consumption rate does not affect the measurements, thereby freeing the method from the influence of various experimental parameters (air flow-rate, the quantity of biomass, the liquid volume in the reactor, etc.), as our tests have shown. For a given substrate, the linearity of the correlation between the product of KL.a x S and the amount of substrate is generally excellent. The attempt to correlate the system's response with the BOD5 measurements for a variety of substrates proved to be difficult, however. Although the bioreactor's analytical range is wider than that of bioelectrodes, the system still fails to give any measurable responses for complex substrates such as starch, cellulose, proteins, etc., and the KL.a x S values estimated by the bioreactor remained much lower than the corresponding BOD5 values. KL.a x S is probably characteristic of the portion of the substrate that is degraded rapidly by the microorganisms to meet their immediate energy needs, whereas the remaining substrate is probably kept for reserve and biomass synthesis

Suspended solids settling and half removal time in stabilization ponds (Tunisia)

Settling is one of the processes occurring in waste stabilization ponds (WSP). Part of suspended solids (SS) is removed by sedimentation but very often the efficiency of WSP is presented without making a difference between settling and biological processes. In this way the WSP is seen as a black box process. This work presents an experimental approach to the study of the removal of wastewater suspended solids in a test column in order to improve our knowledge of the settling process in ponds. These results show that the settling test in columns can be used to estimate the half removal time (t50) for the study of settling characteristics of suspended solids in wastewater stabilization ponds.The aim of this study was to determine the half removal time (t50) in anaerobic, facultative and maturation ponds, and in the influent to these ponds, at the experimental wastewater treatment plant of CERTE (Recycling and Treatment Center of Wastewater in Tunisia), by a column settling test. The experiments lasted between 15 and 120 min. The column was 2 m high with sampling systems at various depths: 40, 80, 120, 160 and 200 cm. Half-removal suspended solids time t50 was defined as the time at which 50% of SS was removed. Models derived from the scientific literature were used to interpret the experimental data. The experimental results demonstrated that higher suspended solids concentrations in the influent led to shorter t50 values and better settling.En lagunage le processus de décantation des matières en suspension constitue un des mécanismes du traitement. Une partie des matières en suspension (MES) est éliminée par sédimentation. Cependant, les rendements des installations sont souvent présentés sans faire la distinction entre la sédimentation et les processus biologiques. En ce sens la lagune est vue comme une boîte noire, et il paraît important de mieux chiffrer la contribution de la décantation sur le rendement global.Ce travail présente une approche expérimentale de l’étude de l’élimination des matières solides dans les eaux usées par le biais d’un test réalisé dans une colonne de décantation en vue de mieux comprendre et d’améliorer les processus de décantation dans les bassins. L’objectif de cette étude était de déterminer le temps de demi-décantation (t50) au moyen d’essais de décantation en colonne sur des échantillons prélevés dans les lagunes anaérobies, facultatives, de maturation ainsi que dans l’influent de la station expérimentale des eaux usées domestiques du CERTE en Tunisie. Ces essais ont permis de déterminer le t50, qui représente le temps de décantation au bout duquel nous observons 50 % d’élimination des matières en suspension. La colonne utilisée a 2 m de hauteur et est munie d’un système d’échantillonnage à différentes profondeurs : 40, 80, 120, 160 et 200 cm. Les temps de prélèvement sont de 15, 30, 45, 60, 75, 90, 105 et 120 min. Des modèles décrits dans la littérature scientifique ont été utilisés pour l’interprétation de nos résultats.Nous constatons que dans cette station les concentrations de MES ne changent pas énormément d’un bassin à l’autre et malheureusement ne couvrent pas la gamme des matières en suspension (MES) dans ce type de bassin. Ce sont des eaux plus riches en matières colloïdales qu’en matières solides. Les temps correspondant à 50 % d’élimination calculés selon la méthode de KRISHNAN sont proches de ceux déterminés graphiquement selon la méthode de TAY. Cela suppose que 50 % d’élimination des MES peuvent être obtenus dans la colonne entre 71 et 135 min pour les eaux issues des différents bassins, avec à peu près la même composition d’eau usée. La plus faible valeur de t50 (14 min) est obtenue dans le cas du mélange « surnageant plus sédiment » de la lagune anaérobie avec une concentration élevée en MES.Ainsi, les résultats expérimentaux obtenus montrent que t50 sera d’autant plus petit que la concentration des matières en suspension dans l’influent est élevée, ce qui induit une meilleure décantation. Ces résultats illustrent bien le fait que les essais de décantation en colonne peuvent être utilisés pour estimer le t50 en ce qui concerne l’étude des caractéristiques des suspensions solides dans les systèmes d’épuration des eaux usées. Les étapes suivantes devront porter sur le passage des résultats en colonne aux valeurs utilisables en vraie grandeur

Blood Clot Formation Does Not Affect Metastasis Formation or Tumor Growth in a Murine Model of Breast Cancer

Cancer is associated with increased fracture risk, due either to metastasis or associated osteoporosis. After a fracture, blood clots form. Because proteins of the coagulation cascade and activated platelets promote cancer development, a fracture in patients with cancer often raises the question whether it is a pathologic fracture or whether the fracture itself might promote the formation of metastatic lesions. We therefore examined whether blood clot formation results in increased metastasis in a murine model of experimental breast cancer metastasis. For this purpose, a clot was surgically induced in the bone marrow of the left tibia of immundeficient mice. Either one minute prior to or five minutes after clot induction, human cancer cells were introduced in the circulation by intracardiac injection. The number of cancer cells that homed to the intervention site was determined by quantitative real-time PCR and flow cytometry. Metastasis formation and longitudinal growth were evaluated by bioluminescence imaging. The number of cancer cells that homed to the intervention site after 24 hours was similar to the number of cells in the opposite tibia that did not undergo clot induction. This effect was confirmed using two more cancer cell lines. Furthermore, no difference in the number of macroscopic lesions or their growth could be detected. In the control group 72% developed a lesion in the left tibia. In the experimental groups with clot formation 79% and 65% developed lesions in the left tibia (p = ns when comparing each experimental group with the controls). Survival was similar too. In summary, the growth factors accumulating in a clot/hematoma are neither enough to promote cancer cell homing nor support growth in an experimental model of breast cancer bone metastasis. This suggests that blood clot formation, as occurs in traumatic fractures, surgical interventions, and bruises, does not increase the risk of metastasis formation

Traitement des eaux usées domestiques par un chenal algal à haut rendement (CAHR) agité par air lift sous climat semi-aride

De nombreux travaux de recherche ont montré l’efficacité des systèmes de traitement extensifs tels que le lagunage naturel et leur adaptabilité aux conditions climatiques et socio-économiques pour des pays comme le Maroc. Le lagunage à haut rendement est une variante de lagunage naturel qui a pu démontrer ses meilleurs performances épuratoires et son efficacité.Le but de la présente étude est : i) de déterminer les différents paramètres hydrauliques d’un chenal algal pilote fonctionnant avec un air lift; ii) d’étudier son fonctionnement et d’évaluer ses performances épuratoires (physicochimiques et bactériologiques), sous les conditions climatiques semi-arides de la ville de Marrakech. Il faut signaler que ce système d’agitation par air lift sera testé pour la première fois au Maroc.L’étude hydrodynamique a pu démontrer que les vitesses d’écoulement calculées pour le pilote fonctionnant avec un air lift rentrent dans la gamme des vitesses d’écoulement recommandées pour ce genre de système et avec d’autres systèmes d’agitation comme la roue à aubes qui est la plus souvent utilisée dans ce genre d’installation. Également, la capacité d’oxygénation du chenal est plus importante.L’étude physicochimique a porté sur le suivi des paramètres de charge organique (DCO et DBO5) et de nutriments (azote et phosphore), tout en utilisant des méthodes d’analyse standards. En matière de DBO5, la filière élimine environ 44 %, alors que les teneurs en DCO brute de l’effluent traité restent élevées. Dans ce genre de système (CAHR), on assiste à une transformation de la matière organique entrante sous forme de biomasse algale, ce qui explique les faibles performances du chenal en matière de DCO brute. Contrairement à la charge organique, le chenal a montré une efficacité remarquable dans l’élimination des nutriments (77 % pour PO4 et 90 % pour NH4).Arid and semi-arid climate areas such as Morocco are affected by water shortages, especially shortages in the water intended for irrigation. In this particular climatic context, the reuse of treated wastewater may partly contribute to solving this problem. Currently, a number of studies have shown the effectiveness of extensive treatment systems and their adaptability to Moroccan socio-economic conditions. The high rate algal pond (HRAP) is an efficient alternative to natural lagoons. The objective of this study was (i) to determine the various hydraulic parameters of a HRAP equipped with an air-lift agitation system, and (ii) to study its operation and to evaluate its performance (physico-chemical and bacteriological) under the semi-arid climatic conditions of Marrakech. The hydrodynamic study showed that the flow rates calculated for the pilot HRAP equipped with the air-lift met the flow range rates recommended for this installation and those of other agitation systems often used, such as the paddlewheel. The physico-chemical study related to the monitoring of organic load parameters (Chemical Oxygen Demand, COD; Biochemical Oxygen Demand, BOD5) and nutrients (nitrogen and phosphorus), was done in accordance to standard methods. For BOD5, the system eliminated approximately 44%, whereas total COD remained high. In the HRAP system, the transformation of the incoming organic matter into algal biomass was expected, and explains the weak performances of the HRAP with respect to total COD. In contrast to the results for the organic load, the pond system showed a remarkable efficiency for the elimination of nutrients (77% for PO4 and 90% for NH4)

MODELLING OF BACTERIAL SULPHATE REDUCTION IN ANAEROBIC PONDS : KINETIC INVESTIGATIONS

peer reviewedaudience: researcher, professional, student, popularization, otherThe aim of the study was first to develop a simple and practical model of anaerobic digestion including sulphate-reduction in anaerobic ponds. The basic microbiology of our model consists of three steps, namely, acidogenesis, methanogenesis, and sulphate reduction. This model includes multiple reaction stoichiometry and substrate utilization kinetics. The second aim was to determine some kinetic parameters associated with this model. The values of these parameters for sulfidogenic bacteria are used in the anaerobic pond model to describe the sulphate reduction processes and to evaluate the risk of odour generation

Automatisation et comparaison de différentes méthodes respirométriques d'estimation rapide de la DBO

II est bien connu que la DBO peut étre mesurée par des méthodes respiromédriques. Les manipulations sont ainsi rendues plus aisées mais la durée de la mesure reste inchangée. La demande biologique en oxygène à court terme (DBOACT) a été proposée pour évaluer rapidement la DBO. Habituellement, ces mesures étaient réalisées dans un respiromètre fermé avec une boue acclimatée et en état de respiration endogène. Récemment on a suggéré de travailler avec un respiromètre ouvert, aéré continuellement durant le test. Nous avons réalisé un tel appareil avec une acquisition et un traitement automatique des données, en utilisant un micro-ordinateur. De cette façon, il est facile de tester différentes méthodes (intégration de la courbe en sac, hauteur de pic, comparaison à des étalons, usage d'étalons internes) pour évaluer la DBO. Nous avons également examiné l'influence du type de substrat, de l'âge et des caractéristiques des boues. Notre conclusion est que aucune des méthodes testées ne fournit une détermination précise de la DBO5 pour des substrats complexes. La méthode reste utile pour contrôler la variabilité de l'influent dans une station d'épuration, lorsque la biomasse est acclimatée au substrat et qu'on ne désire pas une mesure très précise.The usual way of measuring BOD is the dilution method. The consumption of oxygen is measured in the dark at 20 °C during 5 days. Manometric methods were proposed already some decades ago. Their principle is that every molecule of oxygen consumed la transformed into CO2 which is absorbed in a solution of KOH, creating a pressure variation in the bottle. From this pressure variation the BOD can be calculated. By this way experiments were made easier but the duration of the measure remained unchanged. Other respirometric methods were also proposed, especially Short Term Biological Oxygen Demand (STBOD) to evaluate BOD rapidly. Usually such determinations were done in closed respirometers with acclimated sludge under endogeneous respiration condition. Recently, it was suggested to proceed in an open respirometer aerated continuously during the test. We set up this type of respirometer with acquisition and automatic processing of the data, using a microcomputer. In this way it was easy to test different procedures. Among these procedures we tested :- the method of integration of curve in sack-from,- the method of peak level,- the method of comparison to standards,- the method of internal standards.The principles of these methods are given in more detail in the text. We examined the influence of the type of substrate, of the type of biomass used and of the sludge retention time on the results. The substrates tested were :- glucose,- domestic waste water with and without detergent,- diluted eggs,- diluted beer,- effluents from the paper industry.Three different types of biomass and these sludge retention times (fresh, 5 days and 20 days) were used. Automatisation of the test and automatic processing of the data were carried out in basic language with an « Apple II » microcomputer.The test lasted between 37' and 3 hours 10', depending on the conditions (substrate, concentration, type of sludge,...)Analysis of the results were computerized by the Analysis of Variance (ANO-VA) method and results are lasted in 3 tables.From this study we can conclude that STOD methods have some advantages :- they are much faster than the classical method,- they can be easily automatized,- they are cheap,- oxygen is really consumed by biological processes.For simple substrates these methods can lead to good results but for complex substrates reproductibility and precision are rather poor. Among the methods tested the only acceptable one seems to be the integration of the curve in sack-form. Lack of reproductibility appears to be intrinsic to the method.Some possible improvements are presented, such as washing the activated sludge between two experiments, but are not very practical.Despite these limitations the method can be useful to control the variability of influent in a sewage treatment plant. In such a case, the biomass is acclimated to the substrate and variations of influent BOD can be measured

Évaluation des taux d’accumulation et de production de boue dans des bassins de stabilisation sous climat méditerranéen : étude de cas en Tunisie

Les taux d’accumulation, la distribution spatiale ainsi que les caractéristiques chimiques des sédiments ont été étudiés dans une installation de lagunage composée d’un bassin anaérobie, un bassin facultatif et deux bassins de maturation pour le traitement des eaux usées en Tunisie.Le taux d’accumulation ainsi que la distribution des boues au sein de chaque bassin ont été déterminés par mesure directe de l’épaisseur des sédiments correspondants sur 90 à 105 points (selon un maillage de 11 mètres). En tenant compte du volume total de boue déterminé sur les quatre bassins, le taux d’accumulation de sédiments est de 0,029 m3•EH‑1•an‑1 correspondant à un taux d’accumulation de 4,14 kg MS•EH‑1•an‑1. La distribution des boues est loin d’être homogène; les épaisseurs de sédiments les plus importantes sont enregistrées aux entrées et sorties des bassins. L’étude de la variabilité horizontale des caractéristiques des sédiments a été réalisée en considérant deux sites (entrée et sortie) du bassin facultatif (BI) au niveau desquels cinq réplicats de carottes ont été prélevés. Par contre, l’étude de la variation verticale a été réalisée sur des carottes de sédiments qui, après prélèvement, ont été sectionnées en tronçons. Des paramètres chimiques tels que : carbone total (CT), azote total (NT), phosphore total (PT), matières sèches (MS) et matières volatiles (MV) ont été mesurés sur ces échantillons. Les résultats obtenus ont montré que la teneur en matières sèches dans la couche la plus profonde est supérieure à celle dans la couche de surface. Par contre, les teneurs en CT, NT, PT, MV diminuent en fonction de la profondeur.This project studied a stabilization pond system in Tunisia composed of four ponds (one anaerobic, one facultative and two maturation) under a Mediterranean climate. The objectives of this work were to determine the sludge characteristics and to study sediment accumulation and spatial distribution in the various ponds. This work was carried out in a pilot-scale stabilization pond system treating domestic wastewater for 282 person-equivalents (PE). The anaerobic pond was 96 m3 in volume, 3.25 m in depth. The facultative and two maturation ponds were respectively 180, 164 and 147 m3 in volume with mean organic loading rates of 7.6, 4.1 and 3.3 kg BOD5•d‑1 respectively. The characteristics of the influent and effluent (including: suspended solids (SS); volatile suspended solids (VSS); chemical oxygen demand (COD) and biochemical oxygen demand (BOD)) were determined twice-monthly during two months of year 2005. A database of previous studies was used to determine the characteristics of the influent and effluent corresponding to the period 1998-2005.The sludge accumulation rates and distribution were determined by measuring the thickness of the sludge layer at 90 to 105 locations throughout each pond. Considering the total volume of sludge determined for the four ponds, the sediment accumulation rate was 0.029 m3 per person-equivalent per year, corresponding to an accumulation of 4.14 kg dry matter per person-equivalent per year. In the three ponds, the distribution of sludge is uneven, with greater accumulation near the inlet. To study the horizontal variation in the sludge characteristics, two samples with five replicates were collected in the inlet and in the outlet of the facultative pond, whereas, for the vertical variation, sludge cores were collected, then sectioned into slices. Several parameters such as total carbon (CT), total nitrogen (NT), total phosphorus (PT), dry matter (DM) and volatile matter (VM) were measured on these sub-samples. The results show that (DM) content in the deepest layer is higher than that near the surface, whereas CT, NT, PT, VM decrease with depth