Anammox pour un traitement durable des eaux résiduaires urbaines : impact des basses températures et du carbone organique sur les performances et le microbiote

Cold anammox for energy-positive sewage treatment : impact of temperature and organic carbon on performances and microbiota

• Auteur / Autrice : Pieter De Cocker
• Direction : Mathieu Sperandio, Siegfried Vlaeminck
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Genie des procedes et de l'environnement
• Date : Soutenance le 25/05/2018
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA en cotutelle avec UNIVERSITE DE GHENT-BELGIQUE
• Ecole(s) doctorale(s) : ECOLE DOCTORALE MECANIQUE, ENERGETIQUE, GENIE CIVIL ET PROCEDES
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LISBP- Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes biologiques et des Procédés - CMET- Center for Microbial Ecology and Technology - Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés / LISBP - Center for Microbial Ecology and Technology (CMET)
• Jury : Président / Présidente : Peter Bossier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mathieu Sperandio, Siegfried Vlaeminck, Susanne Lackner, Stijn Van hulle, Gilberte Gaval, Michele Laureni
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Susanne Lackner, Stijn Van hulle

Mots clés

Mots clés libres

Oxydation anaérobie de l'azote

Anammox

Eaux résiduaires urbaines

Mainstream annamox

Energy positive

Sewage treatment

Résumé

Cette thèse visait à accroître la compréhension de l'impact à court et à long terme des températures basses sur les taux des bactéries anammox (AnAOB),l'enrichissement, l'adaptation et sur leur capacité à concurrencer les bactéries hétérotrophe (HB) en présence de carbone organique (CO).Effet à court terme de la diminution de la température sur l’activité AnAOBL'effet à court terme de la diminution de la température sur l’activité des AnAOB a été évalué dans des tests batch en conditions anoxiques entre 30 et 10°C. Les résultats ont montré que les types de biomasse contenant les plus grands agrégats (>315µm) et riches en Ca. Kuenenia étaient moins sensibles à une baisse de température. Les différences de sensibilité étaient plus probablement attribuées au genre plutôt qu'à la taille des agrégats. L'optimisation de la modélisation Arrhenius en divisant en deux l’intervalle de température a permis d'obtenir des valeurs theta; plus précises permettant des prévisions réalistes des vitesses d’élimination afin d’améliorer à terme la conception des procédés.Effet à long terme de la diminution de la température sur l'activité et l'enrichissement AnAOBDeux réacteurs séquentiel discontinus (ou ‘sequencing batch reactor’, SBR) avec un inoculum identique ont été opérés dans des conditions anoxiques sur un influent synthétique (60 mg N/L) et comparés pendant un an. L'un a été maintenu à 30°C tandis que la température de l'autre a été progressivement réduite de 30°C à 10°C. La minimisation de la compétition et une rétention élevée des AnAOB (âge de boue ou ‘sludge retention time’, SRT =168j) ont entraîné la formation et la rétention de granules à 30 °C et 10 °C, indiquant que la baisse de température ne nuit pas à la granulation et peut même augmenter la taille des granules. L'enrichissement et l'adaptation des AnAOB observés ont contribué à atteindre des taux d'élimination sans précédent de 82 et 92 mg NH4+-N/g VSS/d à 12.5 et 10 °C, respectivement.Impact de la température et du carbone organique sur la compétition entre AnAOB et HBL'impact des faibles concentrations de CO lentement biodégradable sur la compétition entre l’anammox et la dénitrification et comment cette compétition est impactée par la température a été évalué en ajoutant 30 mg/L de CO (90% d'amidon et 10% d'acétate) aux influents des réacteurs mentionnés ci-dessus à 30 et 10°C. Avec des ratios d'élimination CO/nitrite relativement faibles (0.3), les taux de conversion globaux de l'azote étaient proches de ceux de la stœchiométrie anammox. Aucune compétition significative pour les nitrites entre AnAOB et HB n'a été observée car (1) l'hydrolyse de l'amidon était lente et limitante pour la dénitrification et (2) HB avaient une préférence pour le nitrate sur le nitrite. Des flocs se sont développés dans les deux réacteurs qui sont passés de systèmes granulaires à des systèmes hybrides. Alors que les flocs sont devenus prédominants à 30°C, le système à 10°C est resté majoritairement granulaire, probablement dû à une formation de flocs plus faible et donc à un lessivage plus important des flocs, reflété dans un SRT inférieur à 10°C (19j) comparé à 30°C (26j). L'abondance d'AnAOB a diminué considérablement (87 à 37%) à 30°C et dans une moindre mesure (91 à 74%) à 10 °C. Malgré cette diminution observée, les taux d'élimination sont demeurés élevés dans les deux réacteurs, allant jusqu'à 112 mg NH4+-N/g VSS/d à 10°C. Il est intéressant de souligner que l’addition de CO n'a pas eu d'impact sur les genres dominants qui sont restés Ca. Brocadia et Ca. Kuenenia à 30 et 10°C respectivement. Ces résultats ont montré comment l'application d’un SRT différentiel peut permettre d’atteindre les performances reportées dans la littérature pour des températures plus élevées.Les conclusions de ce projet de recherche démontrent le potentiel de anammox et fournissent des idées qui peuvent contribuer à l'élaboration d'une stratégie adaptée à la mise en œuvre d’applications du procédé PN/A.

This thesis aimed to increase the understanding of the short and long-term impact of low temperature on anammox rates, -enrichment, -adaptation of anaerobic ammonium-oxidizing or anammox bacteria (AnAOB) and their ability to compete with heterotrophic bacteria (HB) in the presence of organic carbon (OC).Short term effect of decreasing temperature on AnAOB activityThe short-term effect of temperature decrease on the anammox rates was evaluated in anoxic batch tests between 30-10°C. Results showed that biomass types containing the largest aggregates (>315 μm) and rich in the Ca. Kuenenia were less sensitive to a decrease in temperature. Differences in sensitivity were more likely attributed to the genus rather than to aggregate size. Optimization of Arrhenius modelling by splitting into two temperature intervals (rather than using one global equation) improved the overall goodness of fit (R2) and allowed to obtain more accurate θ-values enabling realistic process rate predictions which could in term help improve modelling for process design purposes.Long term effect of decreasing temperature on AnAOB activity and enrichmentTwo anammox sequencing batch reactors (SBR) with identical inoculum were operated under anoxic conditions on synthetic influent (60 mg N/L) and compared for one year. One was kept at 30°C while temperature in the other was step-wisely decreased from 30°C to 10°C. Minimal competition and high AnAOB retention (SRTs = 168d) resulted in the formation and retention of well settling granules at both 30°C and 10°C, indicating that lowering temperature is not detrimental to granulation and can even increase granule size. The observed AnAOB enrichment and adaptation (at genus level) contributed to achieving unprecedented removal rates of 82 and 92 mg NH4+-N/g VSS/d at 12.5 and 10°C respectively.Impact of temperature and organic carbon on the competition between AnAOB and HBThe impact of low concentrations of slowly biodegradable organic carbon on the competition between anammox and denitrification and how it is impacted by temperature was assessed by adding 30 mg OC/L (90% starch and 10% acetate to mimic HRAS effluent) the influent of the above-mentioned reactors at 30°C and 10°C. With relatively low OC/nitrite removal ratios (0.3 in both reactors), overall nitrogen conversion ratios were close to the anammox stoichiometry. No significant competition between AnAOB and HB for nitrite was observed under the tested conditions as (1) starch hydrolysis was rate limiting for denitrification and (2) HB preferred nitrate over nitrite. Flocs developed in both reactors which transitioned from purely granular to hybrid systems. While flocs became predominant at 30°, the system at 10°C remained predominantly granular, likely due to poorer floc formation and therefore higher floc wash-out, reflected in a lower SRT at 10°C (19d) compared to 30°C (26d). AnAOB abundance decreased greatly (87 to 37%) at 30°C and to a lesser extent (91 to 74%) at 10°C. Despite the observed decrease in AnAOB abundance, removal rates remained high in both reactors and rates of up to 112 mg NH4+-N/gVSS/d were reached at 10°C. Interestingly, addition of organic carbon addition did not impact the dominant genera which remained Ca. Brocadia and Ca. Kuenenia in SBR30°C and SBR10°C, respectively. These findings showed how application of differential SRT (here via the imposed settling time) can help microbial resource management for achieving mainstream PN/A.The finding from this research project show the potential of ‘cold anammox’ and provide some insights that can contribute to the development of a suitable microbial resource management strategy for the implementation of mainstream PN/A applications.