Etude et optimisation du traitement biologique de molécules organiques inhibitrices

Etude et optimisation du traitement biologique de molécules organiques inhibitrices
REZOUGA Fériel ^1,3, BOUBAKER Olfa ¹, HAMDI Moktar ², SPERANDIO Mathieu³

1Unité de Commande et Optimisation des Processus Industriels, INSAT, Tunis

2 Unité des Procédés Microbiologiques et Alimentaires, INSAT, Tunis

1,2 Centre Urbain Nord, B.P. n°676, 1080 Tunis Cedex Tunisie

3 Laboratoire d’Ingénierie des Procédés de l’Environnement, INSA, Toulouse

GPI – LIPE, 135, Avenue de Rangueil, 31077 Toulouse Cedex 4, France

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Résumé
La gestion des molécules organiques toxiques est un problème majeur lors du traitement biologique des eaux résiduaires industrielles. En effet, les campagnes de production peuvent conduire à des décharges discontinues de molécules présentant des propriétés inhibitrices sur les populations bactériennes des procédés d’épuration. Pour optimiser l’élimination de ces molécules, il est notamment nécessaire de connaître et prédire les dynamiques d’acclimatation des populations bactériennes épuratrices. Dans ce travail, nous nous sommes plus particulièrement intéressé aux procédés à biomasse en suspension (boues activées, bioréacteurs à membranes) et aux molécules présentant une inhibition par le substrat (du type phénol et dérivés).
Des données expérimentales ont été obtenues par le suivi d’un réacteur biologique éliminant du p-nitrophénol. Un modèle mathématique sera proposé afin de simuler le fonctionnement d'une station d’épuration traitant ce composé toxique difficilement biodégradable. L’originalité de ce travail réside dans l’intégration du phénomène d’acclimatation dans le modèle, en vue de prédire au mieux les phases d’activation/désactivation jusque là non pris en compte dans les modèles classiques comme le formalisme de Haldane (1965). Le formalisme proposé permet de décrire le changement de comportement des micro-organismes en fonction des périodes de carence et d’alimentation en molécule organique inhibitrice (ici le p-NP). Certains paramètres cinétiques ont été identifiés et les simulations présentent une bonne adéquation avec les données expérimentales.
Par la suite le modèle est utilisé pour simuler et comparer différentes procédures opératoires envisageables lors du traitement d’une molécule inhibitrice dans un réacteur biologique. Par le biais notamment de méthodes d’optimisation multi-critères, les modes d’alimentation (séquencés ou continus) sont optimisés. Les performances du procédé sont estimées en terme de rendement d’épuration, de croissance bactérienne, et de niveau d’acclimatation des micro-organismes. Ces simulations confirment l’avantage que présentent les systèmes à alimentation séquencée pour acclimater rapidement une biomasse alors que l’état de limitation en substrat maintenu dans les systèmes à alimentation continue peut défavoriser ce niveau d’acclimatation. La modélisation montre également clairement comment l’historique de la biomasse conduit à une résistance ou un seuil d’inhibition spécifique. Ce niveau d’acclimatation renseigne alors sur les capacités de la biomasse à supporter une surcharge brutale en molécule considérée.
Références :

Haldane, J.B.S., "Enzymes," MIT Press, Cambridge, MA, 84, 1965.