Paramètres opérationnels favorisant le développement d'un biofilm nitrifiant au sein d'un procédé par biomasse fixée : évaluation par qPCR, amorces dégénérées et paramètres intégrateurs en eaux usées

Dans l'optique de repondre a la reglementation canadienne ou aux exigences quebecoises sur les rejets d'azote ammoniacal et de la toxicite a l'effluent, une approche operationnelle favorisant le developpement d'un biofilm nitrifiant est proposee. Cette approche, peu couteuse, permettrait aux stations d'epuration de type biofiltration une mise a niveau uniquement fondee sur une base operationnelle plutot que sur une refection complete du procede en place. Ces parametres operationnels vises sont l'aeration, le lavage a contrecourant ainsi que la regulation du debit. Les etudes existantes ne permettent pas a ce jour d'evaluer si ces parametres peuvent favoriser le developpement d'une flore nitrifiante dans un procede qui n'est pas originalement concu pour soutenir la nitrification. De plus, les etudes existantes ne demontrent pas le lien entre la flore bacterienne et le rendement epuratoire dans le cas d'une biomasse fixee. L'objectif general de la presente these consiste a definir le lien qui existe entre l'etat des populations relatives des bacteries nitrifiantes dans un biofilm de type « biomasse fixee » provenant d'un filtre biologique aere, les caracteristiques d’eaux usees, les conditions operationnelles ainsi que la capacite de traitement de la matiere organique ou de l’azote ammoniacal. Lors de differentes campagnes experimentales menees en station d’epuration, des echantillons de media filtrant et d'eaux usees ont ete preleves a differentes profondeurs d’un biofiltre existant (0,3; 0,6; 1,2 et 1,5 m) afin de caracteriser l'etat du biofilm ainsi que le rendement epuratoire tout au long du passage de l’eau dans le filtre biologique, et ce, en fonction des parametres operationnels etudies. Les echantillons de biofilm ont ete etudies par une approche originale utilisant la qPCR avec amorces degenerees pour l'estimation de la presence relative des principales bacteries responsables de la nitrification : les bacteries oxydant l'ammonium (AOB) et les bacteries oxydants les nitrites (NOB). Ces nouveaux marqueurs moleculaires ont ete concus sur la base des sequences genetiques partielles des genes amoA (sous unite alpha de l'enzyme « ammonium monooxygenase ») et nxrB (sous unite beta de l'enzyme « nitrite oxydoreductase »). Une caracterisation tridimensionnelle du biofilm par analyse FISH et par imagerie confocale a egalement ete realisee afin de confirmer la tendance observee par les resultats qPCR. Les parametres de CDBO5, de DCO, d'azote total et ammoniacal, de nitrate, d'alcalinite et de sulfures ont ete analyses sur les echantillons d'eaux usees preleves afin d'estimer le rendement epuratoire aux differentes profondeurs des cellules de traitement ainsi que pour confirmer la presence de nitrification. Les resultats portant sur les effets des parametres operationnels ont demontre une augmentation de la population relative des AOB et NOB par rapport a la population bacterienne (article scientifique 1). La presence relative dans les cellules tests avec les amorces amoA et nxrB ont ete evalue a 0,50 % et 0,033 % respectivement lors des essais operationnels d'aeration, a 0,21 % et 0,046 % lors des essais de modification des lavages et 0,58 % et 6,3 % lors des essais sur le debit d'eaux usees dirige sur les cellules de traitement. Les analyses FISH ont demontre qu'il ne semble pas y avoir de colocation obligatoire entre les AOB et NOB soulevant ainsi l'hypothese que les NOB ne sont pas totalement dependantes des AOB pour leur croissance. Le developpement de la population relative de AOB et NOB a egalement ete observe lorsque considere par rapport a l'ensemble du biofilm (article scientifique 2). Les resultats des parametres d’analyses des eaux ont mis en evidence l'amelioration significative du traitement de la charge carbonee tout en confirmant la presence de nitrification. Le plus haut taux d'enlevement d'azote ammoniacal observe a ete de 49 % lors des essais de modification des lavages des filtres contre 16 % pour le controle. La population nitrifiante au sein de tout le biofilm a ete evaluee a 0,032 % et 0,008 % pour les AOB et NOB respectivement contre 0,019 % et 0,004 % respectivement pour la cellule test. Les plus fortes valeurs observees de AOB et NOB proviennent des essais sur le debit avec des valeurs respectives de 0,034 % et 0,18 %. Cependant, la nitrification observee lors de ces essais a ete evaluee a 21 % d'enlevement. La consommation energetique supplementaire, evaluee en kWh par kilogramme de DBO5 et NH4+ enleves par jour pour l'enlevement de la charge carbonee et azotee de la cellule test par rapport a la cellule de controle, a ete evaluee a 407 kWh/kg/d lors des essais de condition d'aeration, a 69 kWh/kg/d lors des essais de parametre modifie de lavage et 152 kWh/kg/d lors des essais d'ajustement du debit (article scientifique 3). Il apparait que l'oxygene dissous est le parametre cle pour assurer un bon rendement de nitrification, et ce, en depit de la population bacterienne nitrifiante presente. Ainsi, l'oxygene dissous devrait etre maintenu a au moins 6 mg-O2/L dans le cas des biomasses fixees, et en profondeur s’il y a usage d'un lit biofiltrant. Finalement, il est possible, par l'action de quelques changements operationnels, de favoriser le developpement d'une flore bacterienne nitrifiante dans un procede qui n'est pas originalement concu a cet effet. L'aeration, les lavages a contre-courant et le debit ont tous une incidence positive sur le developpement des AOB et NOB. Toutefois, pour assurer la nitrification, le maintien d'une aeration a 6 mg-O2/L et les lavages moins intenses semblent s’averer des solutions prometteuses. L'augmentation du temps de residence hydraulique n'a pas ameliore la nitrification, mais elle a permis d'augmenter la concentration en oxygene dissous dans le liquide interstitiel. Ce parametre favorise la diffusion de l'oxygene dissous et diminue ainsi la demande energetique associee. Ces resultats constituent une avancee dans la comprehension du comportement des biofilms de type biomasse fixee dans le domaine de l'epuration municipale et les principales conclusions peuvent etre aisement appliquees a tous les procedes de ce type, elargissant ainsi leur potentiel de traitement epuratoire.