Traitement du foisonnement filamenteux induit par Microthrix parvicella par ajout de sels métalliques : impact sur les boues activées

Microthrix parvicella bulking treatment by metallic salts addition : activated sludge impact

• Auteur / Autrice : Nadège Durban
• Direction : Sylvie Gillot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'eau
• Date : Soutenance le 29/05/2015
• Etablissement(s) : Paris, AgroParisTech
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Agriculture, Alimentation, Biologie, Environnement, Santé (Paris ; 2000-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Hydrosystèmes et bioprocédés (2005-2019) - AgroParisTech (France ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Philippe Steyer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvie Gillot, Sébastien Lacroix
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Etienne Paul

Mots clés

Mots clés contrôlés

Eaux usées -- Épuration -- Procédé des boues activées

Mots clés libres

Boues activées

Microthrix parvicella

Sels métalliques

Aluminium

Dysfonctionnements biologiques

Activated sludge

M. parvicella

Metallic salt

Aluminum

Biological dysfunction

Résumé

L’ajout de sels métalliques dans les stations d’épuration à boues activées faible charge est proposé pour le contrôle d’un développement excessif de bactéries filamenteuses, notamment lorsqu’il s’agit de Microthrix parvicella.L’objectif de ce travail a été d’évaluer l’efficacité de ce type de traitement lors d’épisodes de foisonnement des boues. Il s’agissait d’étudier l’impact de l’ajout d’aluminium sur les conditions de décantation, sur les performances de traitement et sur les micro-organismes des boues activées, notamment la spécificité du traitement vis-à-vis de Microthrix parvicella.D’après l’enquête réalisée sur un échantillon de 370 stations d’épuration à boues activées faible charge, les problèmes de décantation demeurent une problématique majeure pour 30 % des installations de taille inférieure à 250 000 EH, et pour 50 % de celles traitant plus de 250 000 EH. Au moins un dysfonctionnement sur trois serait dû à un développement excessif de bactéries filamenteuses. Un taux de charge organique élevé a été identifié comme l’un des facteurs favorisant les dysfonctionnements. L’ajout de sels métalliques pour éliminer le phosphore des eaux usées contribue quant à lui à diminuer l’occurrence des dysfonctionnements, sachant que des sels de fer sont majoritairement utilisés.Les mesures réalisées sur le pilote semi-industriel (1 500 EH) durant deux périodes de 6 mois ont confirmé l’efficacité des sels d’aluminium pour contrôler la capacité de décantation des boues activées, limiter les pertes de boues et la formation de flottants, pouvant entrainer une altération des rendements épuratoires. La confrontation de résultats issus de différents outils du génie des procédés (étude des performances épuratoires de l’installation, modélisation du fonctionnement du pilote), de la microbiologie et de la biologie moléculaire (microscopie, qPCR, DGGE, inventaire moléculaire) a permis de mieux comprendre les phénomènes observés. L’ajout de sels métalliques contribue à rendre Microthrix parvicella moins compétitif que les autres bactéries pour des concentrations supérieures à 0,7 mmol (g MVS)-1 dans les liqueurs mixtes. Cette limitation de croissance s’ajoute à la formation d’agrégats biologiques denses, plus aptes à décanter, à l’internalisation des bactéries filamenteuses et leur disparition du liquide interstitiel. Lorsque la concentration obtenue dans la liqueur mixte est inférieure à 0,7 mmol (g MVS)-1, la formation de mousses est limitée et l’indice de boues est stabilisé, grâce à des phénomènes de coagulation qui n’impactent pas significativement la morphologie des agrégats ni l’abondance de M. parvicella.D’après ces éléments, les mécanismes impliqués dans l’amélioration des conditions de décantation s’apparentent à des mécanismes non spécifiques de coagulation-floculation.La modélisation des phénomènes observés, en incluant notamment une biomasse supplémentaire représentant Microthrix parvicella dans les modèles biocinétiques disponibles, permettrait sans doute de mieux comprendre les phénomènes de compétition entre les bactéries filamenteuses et les bactéries du floc.

Addition of metallic salts has been proposed to control the proliferation of Microthrix parvicella in low-loaded wastewater treatment plants (WWTP).The work presented in this document aimed at evaluating the efficiency of such treatment in the control of bulking events. The impact of aluminium addition on the activated sludge settling properties, on the process performance and on the microorganisms presents in the activated sludge, particularly it’s specificity for M. parvicella, was assessed.According to the survey performed on a sample of 370 low-loaded activated sludge WWTPs, settling problems remain a key issue for 30 % of WWTPs treating less than 250 000 p.e., and for 50 % of those treating more than 250 000 p.e.. In at least one case out of three, settling problems were induced by excessive development of filamentous bacteria. A high organic load was identified to be one of the factors favouring those dysfunctions. Metallic salts added to remove phosphorous from wastewater was also shown to reduce the occurrence of observed settling problems, given that iron salts are mostly utilised.Measurements performed on the semi-industrial pilot plant (1 500 p.e.) confirmed the efficiency of aluminium salt addition in controlling the settling properties, reducing sludge loss and foaming formation which could degrade the WWTP removal efficiency. The confrontation of the results obtained via process engineering tools (study of the pilot plant removal efficiencies, plant modelling), microbiology and molecular microbiology (microscopy, quantitative PCR, DGGE, molecular inventory) allowed a better understanding of the observed phenomena. The aluminium salt addition contributes to make M. parvicella less competitive than the other bacteria when the aluminium concentration is above 0.7 mmol (g MLVSS)-1 in mixed liquor. This growth limitation is concomitant to the formation of more compact aggregates, with better settling properties, the embedment of filamentous bacteria into the flocs and therefore their disappearance from the interstitial liquid. When the aluminium concentration in the mixed liquor is below 0.7 mmol (g MLVSS)-1, the foam formation is limited and the sludge volume index is stabilised thanks to coagulation phenomena which does not impact significantly the aggregates morphologies and M. parvicella’s relative abundance.Based upon these results, the mechanisms involved in the improvement of the settling conditions are similar to non-specific mechanisms of coagulation-flocculation.Modelling the observed behaviour, adding a biomass representing M. parvicella in available biokinetic models, would allow a better understanding of the competition between filamentous and flocculated bacteria.