Intéraction entre l'élimination des polluants azotés et la formation des franules aérobies en réacteur biologique séquencé

Abstract

Le procédé à boues granulaires aérobie constitue une technologie prometteuse pour le traitement des pollutions azotées mais son application industrielle nécessite de comprendre certains verrous scientifiques de façon à optimiser les conditions de fonctionnement notamment en minimisant les besoins énergétiques. La structure spécifique des granules aérobies génère naturellement des limitations au transfert des polluants et une organisation spatiale beaucoup plus hétérogène que dans les flocs. Les bactéries autotrophes et hétérotrophes sont alors en interaction ou en compétition. Ainsi l objectif de ce travail est, au travers de deux études expérimentales, de mieux comprendre les interactions entre la croissance/respiration en anoxie/aérobie et la structuration des boues granulaires ainsi que leurs performances pour l élimination de l azote. Dans la première expérience, deux réacteurs SBR sont étudiés parallèlement en maintenant une concentration en oxygène de 1,8+-0,8 mg L-1. Un seul des deux réacteurs reçoit une charge en nitrate (50-200 mg N L-1). Dans le réacteur alimenté en nitrate les agrégats présentent des propriétés très proches de celles des granules aérobies alors que le système de référence purement aérobie présente des propriétés de décantation plus comparables à celles des biomasses floculées. L observation des cinétiques et des bilans azote montre que la dénitrification a lieu à l intérieur des agrégats dans des zones internes où l oxygène est très probablement limitant du fait des fortes activités spécifiques des agrégats microbiens et de la densification de ces agrégats. Un modèle mathématique développé sous AQUASIM® permet de décrire les gradients de concentrations dans les granules (1 dimension) et l évolution des espèces au cours du temps dans le réacteur. Ce modèle intégrant les phénomènes de respiration/croissance/stockage des espèces hétérotrophes en aérobie et en anoxie a permis de décrire l effet des nitrates sur la croissance hétérotrophe. Non seulement le profil de biomasse active montre une croissance plus en profondeur mais ceci génère également plus de stockage de composés de réserve. Enfin le modèle traduit le fait que la croissance plus en profondeur (générée par la présence de nitrates) constitue un moyen de mieux protéger la biomasse active du détachement par érosion. Dans la deuxième expérience, deux réacteurs identiques de type air-lift sont opérés avec des stratégies d aération différentes : dans le premier un débit d air relativement modéré (SAV=0,6 cm s-1) et une alternance anoxie/aérobie sont imposés (un complément en nitrate est maintenu pour éviter l anaérobie), alors que dans le deuxième réacteur le débit d air est élevé (SAV= 2,83 cm s-1) et les conditions principalement aérobies. Les résultats démontrent que l alternance entre des conditions d excès anoxie et de famine aérobie permettent de favoriser le développement des granules aérobies (la taille des granules est entre 500-1000 Bm) et la stabilisation des performances (nitrification en particulier). La caractérisation physique (taille et cohésion) des agrégats biologiques montre que les granules sont des agrégats microbiens dont la densité est plus élevée que celle des flocs et dont la cohésion est suffisante pour que leur taille ne soit pas calibrée par l échelle de la turbulence ; la formation des granules est caractérisée par plusieurs étapes : une phase de densification, une phase de croissance avec érosion (distribution bimodale), puis une phase de croissance et de maturation.Aerobic granular sludge process is a feasible technology for the treatment of nitrogen pollution, but some key points need to be further understood in order to optimize the operational conditions for its industrial application, especially considering the minimization of energy requirements. The special structure of aerobic granules generates naturally the pollutants transfer limit within granules. The spatial organization is much more heterogeneous than that in the flocs. The autotrophic bacteria and heterotrophic bacteria are interacting or competing. Thus the goal of this work is, in two experimental studies, to better understand the interactions between the growth / respiration under the anoxic/aerobic conditions and the structure of granular sludge as well as their performance for nitrogen removal. In the first experiment, two parallel SBR reactors are installed maintaining a dissolved oxygen concentration of 1.8+-0.8 mg L-1. Nitrate (50-200 mg N L-1) was only added in the influent of one reactor, in which the aggregates properties were comparable to aerobic granules, while the aggregates properties in the other reactor were more traditional (floc-like). The kinetic observation and nitrogen measurement show that denitrification occurs within the aggregates where the DO is probably limited because of high specific biological activities and the density of biological aggregates. A developing mathematical model by the software tool AQUASIM® allows describing the concentration gradients of substrates in the granules (1 dimension) and the evolution of biological species in the reactor. This model including the phenomena of respiration / growth / storage of heterotrophic species in aerobic and anoxic conditions helps to describe the effect of nitrate on the heterotrophic growth. Not only the profile of active biomass shows a growth in more depth but also generates more storage compounds. Finally, this model reveals that heterotrophic growth in more depth (generated by the presence of nitrate) protect well the active biomass to avoid the detachment by erosion. In the second experiment, two airlift reactors worked on the different aeration strategies: a relatively moderate air flow rate (SAV = 0.6 cm s-1) and alternating anoxic / aerobic conditions are applied in the first reactor (additional nitrate is maintained to avoid anaerobic condition), whereas a high air flow rate (SAV = 2.83 cm s-1) and strictly aerobic conditions maintain in the second reactor. The results show that the alternating anoxic feast / aerobic famine conditions encourage the formation of aerobic granules (the size is between 500-1000 Bm) and the stabilization of nitrification performance. The aggregates strength test shows that the density of aerobic granules is higher than the flocs. The size of aerobic granules is not calibrated by the Kolmogorov micro-scale. The formation of granules is characterized by several stages: a stage of densification, an expansion phase with particles erosion (bimodal distribution), then a growth phase and a maturationTOULOUSE-INSA (315552106) / SudocSudocFranceF