Caractérisation du résidu particulaire et étude des mécanismes limitant la biodégradation des boues d'épuration

Characterization of the refractory anaerobic residue and study of the mechanisms limiting the biodegradation of sewage sludge

• Auteur / Autrice : Sophie Decremps
• Direction : Etienne Paul, Xavier Lefebvre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 18/04/2014
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'ingénierie des systèmes biologiques et des procédés (Toulouse) - Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés [LISBP]
• Jury : Président / Présidente : Christophe Dagot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Etienne Paul, Xavier Lefebvre, Elisabeth Girbal-Neuhauser, Fabien Vedrenne
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Philippe Delgenes, Gilles Guibaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Boues d'épuration -- Digestion

Mots clés libres

Résidu réfractaire anaérobie

Spectroscopie infrarouge

Solubilisation d'agrégats biologiques

Caractérisation physico-chimique

Digestion anaérobie

Traitements des eaux usées

Refractory anaerobic residue

Infrared spectroscopy

Solubilisation of biological particulate matter

Physico-chemical characterization

Anaerobic digestion

Wastewater treatment

Résumé

La matière des eaux usées urbaines (ERU) subit des transformations au sein des filières « eau » et « boue » des stations d’épuration (STEP). Une fraction de la matière organique est systématiquement retrouvée en fin de traitement biologique sous forme particulaire et est, à ce titre, identifiée comme non biodégradable et notée XU. L’origine « exogène » i.e. provenant de l’ERU brute, ou « endogène », i.e, résidus générés par les processus microbiens, et la contribution quantitative des composés accumulés dans cette fraction XU ne sont pas identifiables simplement. Par ailleurs, si une faible bioaccessibilité et/ou une inadéquation entre leur nature chimique et le pool enzymatique présent peuvent être suspectées, les raisons de leur caractère réfractaire sont mal connues et constituent un frein pour optimiser la valorisation de la boue par digestion anaérobie. S’intéressant spécifiquement à la fraction organique réfractaire d’une boue d’épuration, ce travail de thèse s’est donc attaché à définir son origine, à quantifier sa proportion selon différentes conditions opératoires de STEP et à caractériser ses composés d’un point de vue physique et chimique. Une approche filière a tout d’abord été menée pour analyser la relation entre l’origine et la biodégradabilité d’une boue. Deux approches de caractérisation chimique ont été mises en œuvre : (i) Analyse directe de l’empreinte chimique globale par spectrophotométrie infrarouge (IR) en réflexion totale atténuée (ATR) ; (ii) Analyses moléculaires (fluorescence 2D et 3D, UV 210 et 280 nm, dosages biochimiques) de fractions solubilisées après déconstruction thermo-chimique de l’agrégat réfractaire. Associée à des analyses statistiques, l’utilisation de l’empreinte IR s’est révélée pertinente pour différencier chimiquement différentes matrices réfractaires et suivre l’évolution des empreintes au fil des unités de traitement d’épuration. Par ailleurs, l’utilisation combinée de techniques analytiques complémentaires a permis une caractérisation plus précise des familles de molécules impliquées. Enfin, l’empreinte IR s’est avéré un outil pertinent de caractérisation de l’effet d’un traitement thermique (60 à 95°C) ou chimique (hydrolyse acide et alcaline) sur la chimie de la fraction XU

Organic matter of urban wastewaters (WW) is modified all along the treatment units of a wastewater treatment plant (WWTP). A fraction of the organic matter systematically remains at the end of biological treatment, mainly aggregated in particulate form. It is thus classified as refractory organics, noticed XU. The “exogenous” origin (e.g. originated from the urban WW) or “endogenous” one (e.g. residues produced by the microbial processes) and the quantitative contribution of compounds accumulated into the XU fraction are difficult to identify. Limited bioaccessibility and/or inappropriate chemical characteristics can be suspected. However, the reasons of their non-biodegradability are not clearly identified that limits an optimal valorization of sewage sludge by anaerobic digestion (AD). Focusing specifically on the refractory COD fraction of sewage sludge, this research work attempts to define its origin, to quantify its proportion depending on the applied operating conditions in the WWTP and to characterize the physical and chemical properties of its different compounds.A first approach is carried out to analyze the relationship between the WWTP operating conditions and the biodegradability of various sludges. The scientific approach is based on (1) the use of sludges of contrasted composition (fed with raw wastewater, or pre-settled WW, diluted primary sludge or synthetic influent, and produced with a solid retention time in the range of 2 and 70 days), and, on (2) the comparative analysis of physical, biological and chemical characteristics for refractory matrices resulting from their ultimate anaerobic digestion. Refractory COD fractionations are estimated comparing experimental and ASM1 predicted data. While 85% of anaerobic refractory organic matter remain aggregated, two characterization approaches were applied: (i) direct analysis (on unmodified particulate matter) of the global chemical fingerprint by infrared spectroscopy (IR) on attenuated total reflexion (ATR); (ii) molecular analysis (fluorescence 2D and 3D, UV 210 and 280 nm, biochemical assays) of solubilized fractions obtained by thermo-chemical solubilisation of the refractory aggregate.Combined with statistical tools (Hierarchical Ascendant Classification, HAC and Principal Component Analysis, PCA), infrared fingerprints appear relevant to chemically discriminate refractory residues of the selected sludges and hence to follow the evolution of the chemistry of matrices along the treatments chains. Main factors involved in the chemical fingerprint of XU are highlighted. For example the major effect of the chemistry of exogenic refractory compounds (XU,inf) on the XU chemical fingerprint is shown. In addition, our work underlines the interest of using complementary analytical techniques to get a more accurate chemical characterization of the molecules involved in the ultimate refractory matrices. For example, a significant contribution of proteins and humics on the chemistry of refractory aggregate could be observed with a clear contribution of bacterial compounds to protein refractory fraction.Finally, the infrared fingerprint was used to characterize the effect of heat treatments (60-95°C) or chemical treatments (acid and alkaline hydrolysis) on the chemistry of XU. In perspective, this approach could be extended to other treatments (e.g. high temperature, ozonation, enzymatic hydrolysis) to assess their effects and to define their optimal operating point for degradation of refractory compounds. Furthermore, the possibility to discriminate chemical fingerprints of different refractory residues could also be exploited. Acquiring spectral data banks could better define the scope of application of treatment units combined with the anaerobic digestion of sewage sludge.