Optimization of biological sulphate reduction to treat inorganic wastewaters : process control and use of methane as electron donor

Optimisation de la réduction biologique de sulfates pour le traitement des eaux usées : contrôle du processus et utilisation du méthane comme donneur d'électrons

• Auteur / Autrice : Joana Cassidy
• Direction : Stéphanie Rossano
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et Techniques de l'Environnement
• Date : Soutenance le 17/12/2014
• 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 ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Géomatériaux et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne) - Laboratoire Géomatériaux et Environnement
• Jury : Président / Présidente : Robin Gerlach
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphanie Rossano, Eric Van Hullebusch, Piet N. L. Lens, Giovanni Esposito
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincenzo Belgiorno

Mots clés

Mots clés contrôlés

Eaux usées -- Épuration

Bactéries sulfato-réductrices

Bioréacteurs

Biotechnologie

Mots clés libres

Biotechnologie

Réduction biologique de sulfat

Optimisation

Biotechnology

Biological sulphate reduction

Optimization

Résumé

Ce travail a étudié deux approches différentes pour optimiser la réduction biologique des sulfates: la première approche consisté à élaborer une stratégie de contrôle de processus pour optimiser l'ajout d'un donneur d'électrons et la deuxième à vérifier la pertinence de l'utilisation d'une source de carbone bon marché, à savoir, le méthane. Une stratégie de contrôle de l'apport du donneur d'électron en se basant sur le suivi de la charge organique a été mis en place. Des conditions d'abondance et de famine ont été appliquées à un bioréacteur à bactéries sulfato-réductrices (BSR) pour stimuler les dynamiques du processus. Ces conditions d'abondance/famine ont donné lieu à l'accumulation de carbone et également de soufre élémentaire (composants de stockage de biomasse réductrice de sulfate). Cette étude a montré que les retards dans le temps de réponse et un gain de commande élevé peuvent être considérés comme les facteurs les plus critiques affectant l'application d'une stratégie de contrôle de sulfure dans des bioréacteurs à BSR. L'allongement du temps de réponse est expliqué par l'induction de différentes voies métaboliques au sein des communautés microbienne des boues anaérobies, notamment par l'accumulation de sous produits de stockage. Le polyhydroxybutyrate (PHB) et les sulfates ont été retrouvés accumulés par la biomasse présente dans le bioréacteur à lit fluidisé inverse utilisé pour cette étude et donc ils ont été considérés comme les produits majoritaires de stockage par les BSR. Sur cette base, un modèle mathématique a été développé, qui montre un bon compromis entre les données expérimentales et simulées, et confirme donc le rôle clé des processus d'accumulation. Afin de comprendre les voies métaboliques impliquées dans l'oxydation anaérobie du méthane couplé à la réduction des sulfates (AOM-SR), différents donneurs et accepteurs d'électrons ont été ajoutés au cours de test d'incubations in vitro visant à enrichir la communauté microbienne impliqué dans l'AOM-SR à haute pression avec plusieurs co-substrats. L'AOM-SR est stimulée par l'addition de l'acétate ce qui n'a pas été rapporté pour d'autres communautés impliqué dans l'AOM-SR. En outre, l'acétate a été généré dans le test de contrôle résultant probablement de la réduction de CO2. Ces résultats renforcent l'hypothèse que l'acétate peut servir d'intermédiaire dans le processus de l'AOM-SR, au moins pour certains groupes de archées anaérobie méthanotrophe (ANME) et les bactéries sulfato-réductrices

This work investigated two different approaches to optimize biological sulphate reduction: to develop a process control strategy to optimize the input of an electron donor and the applicability of a cheap carbon source, i.e., methane. For the design of a control strategy that uses the organic loading rate (OLR) as control input, feast and famine behaviour conditions were applied to a sulphate reducing bioreactor to excite the dynamics of the process. Such feast/famine regimes were shown to induce the accumulation of carbon, and possibly sulphur, storage compounds in the sulphate reducing biomass. This study showed that delays in the response time and a high control gain can be considered as the most critical factors affecting the application of a sulphide control strategy in bioreactors. The delays are caused by the induction of different metabolic pathways in the anaerobic sludge including the accumulation of storage products. Polyhydroxybutyrate (PHB) and sulphate were found to accumulate in the biomass present in the inversed fluidized bed used in this study, and consequently, they were considered to be the main storage compounds used by SRB. On this basis a mathematical model was developed which showed a good fit between experimental and simulated data giving further support to key role of accumulation processes. In order to understand the microbial pathways in the anaerobic oxidation of methane coupled to sulphate reduction (AOM-SR) diverse potential electron donors and acceptors were added to in vitro incubations of an AOM-SR enrichment at high pressure with several co-substrates. The AOM-SR is stimulated by the addition of acetate which has not been reported for any other AOM-SR performing communities. In addition, acetate was formed in the control group probably resulting from the reduction of CO2. These results support the hypothesis that acetate may serve as an intermediate in the AOM-SR process, at least in some groups of anaerobic methanotrophs (ANME) and sulphate reducing bacteria