CHAPITRE 3 RÉSULTATS COMPLÉMENTAIRES

Table des matières

Ce troisième chapitre présente des résultats expérimentaux qui n’ont pas été traités directement dans le chapitre précédent, mais qui sont tout de même complémentaires à l’article contenu dans ce dernier. Ces résultats, qui seront ici discutés brièvement, concernent l’évaluation de la quantité de biomasse fixée sur les textiles, le suivi microbiologique effectué tout au long des expérimentations, ainsi que les essais au traceur réalisés dans le but de déterminer le temps de rétention hydraulique réel du réacteur.

Afin d’évaluer la capacité de colonisation de la biomasse sur le BIOTEX®, les textiles servant de support bactérien ont été pesés avant le début de l’expérimentation et de nouveau à la fin. La biomasse attachée a été évaluée à 1362 g MeS/m2 et 1010 g MVeS/m2 de textile (poids sec), donnant un rapport MVeS/MeS de 0,74. Lors d’une étude précédente sur la BIO-FOSSEMD, Lessard et al. (2003) avaient obtenu un rapport similaire, soit 0,77, avec des valeurs de 1760 g MeS/m2 et 1350 g MVeS/m2.

La valeur relativement élevée du rapport MVeS/MeS avait été expliquée par Lessard et al. (2003) par la faible concentration caractéristique de solides inertes dans l’effluent de fosses septiques. Or, dans le cas de la présente étude, l’eau utilisée provenait d’une station d’épuration d’eaux usées municipales, et non d’une fosse septique. Ainsi, l’explication de cette valeur élevée pourrait être liée à la décantation de l’affluent dans la chaudière. Celle-ci fait peut-être en sorte que les caractéristiques de l’affluent s’approchent de celles d’une fosse septique. Par ailleurs, un mauvais décrochage du biofilm lors de la mesure peut aussi être envisagé. En effet, la biomasse servant à mesurer les MVeS a été prise en surface du textile. Celle-ci compte probablement plus de biomasse active que de biomasse inerte, comparativement à la biomasse se trouvant en profondeur du textile. De plus, il faut mentionner que le rapport MVeS/MeS n’a été mesuré qu’une seule fois pour chacune des deux études.

Par ailleurs, pour un procédé semblable utilisant des plaques de céramique comme support bactérien et opéré sous une charge organique de 120 g DBO/m2d, Hamoda et Al-Ghusain (1998) ont trouvé une quantité d’environ 25 g MVeS /m2. Ainsi, par comparaison avec des charges appliquées du même ordre de grandeur, la capacité de colonisation de biomasse sur le textile s’avère élevée. Il faut par contre rappeler que la superficie de référence est celle du coupon de tissu jersey et non celle de la superficie effective de fixation.

Un suivi microbiologique a été assuré par le prélèvement régulier, à raison de deux fois par semaine, d’échantillons de biomasse colonisant les textiles. Ces prélèvements étaient effectués à l’aide d’une pipette en plastique, environ à mi-profondeur des textiles et à différentes hauteurs. Aucune variation marquée n’a été notée lorsque des échantillons de biomasse ont été pris à différentes profondeurs et différentes hauteurs sur les textiles. Les observations ont été réalisées avec un microscope optique (Olympus BH2), à des grossissements de 100 et 400 fois. L’identification des micro-organismes et l’interprétation de leur présence a été basée sur le livre Les biomasses épuratrices de Védry (1996). L’ANNEXE E présente les illustrations des principaux micro-organismes observés dans la biomasse colonisant les textiles de la BIO-FOSSEMD.

La colonisation des textiles a été très rapide. Dès les premiers jours d’alimentation du réacteur en eau usée, la biomasse fixée sur les textiles comptait déjà plusieurs types de protozoaires et de métazoaires. Durant les deux premières semaines d’opération, la population dominante était principalement composée de Thécamibes (g. Arcella ) et de Rotifères (g. Philodina et g. Euchlanis ). Les Thécamibes, qui sont des Amibes dotées d’une carapace, constituent fréquemment la faune majoritaire dans les biomasses ayant un âge de boue élevé. Elles prolifèrent donc souvent sur des cultures fixées et dans les procédés assurant la nitrification-dénitrification. La présence des Rotifères, qui exploitent le liquide interstitiel (eau épurée entre les flocs), est également associée à un âge de boue élevé. Elle indique généralement que l’eau est plutôt bien traitée et que la nitrification a lieu.

Par ailleurs, la biomasse comprenait aussi divers Ciliés, reconnus pour éliminer les agents de turbidité. Des Ciliés nageurs comme les Aspidiscidés et les Amphileptidés ont été observés, de même que des Ciliés attachés de la sous-classe des Péritriches. La présence de Flagellés (genres Bodo et Monas) et de Nématodes a également été notée pendant ces deux premières semaines d’opération sous aération continue. Seulement quelques courtes bactéries filamenteuses ont été vues, contrairement à ce qui avait été noté lors du démarrage de l’expérimentation visant à déterminer les conditions optimales d’opération de la BiofosseMD (Tremblay, 2001).

Pendant le mois suivant, la population dominante a continué à être composée de Thécamibes. Pour leur part, les Rotifères se sont faits plus rares et le genre Philodina a même complètement disparu vers le jour 38. Par ailleurs, les Ciliés Euplotes ont fait leur apparition en nombre significatif et leur présence est demeurée très constante jusqu’à la fin des expérimentations. Ce genre de Ciliés est généralement bio-indicateur d’aérobiose et il est fréquemment trouvé dans les cultures fixées. Les Ciliés Aspidiscidés ainsi que les Flagellés ont continué à être observés assez régulièrement, les uns étant davantage présents lorsque les autres étaient moins nombreux. Tremblay (2001) avait d’ailleurs observé une diminution de la population de flagellés en fonction de l’accroissement des ciliés au début de ses essais. Des Ciliés Amphileptidés et Paramécidés, ainsi que des Nématodes, ont également été vus de temps à autre.

Finalement, de longs vers rouges visibles au microscope appartenant à la classe des Oligochètes ont été observés pour la première fois au jour 21 et sont demeurés présents jusqu’à la fin des expérimentations. Plus précisément, il s’agissait probablement du genre Ælosoma , mesurant de 0,5 à 1 mm. Védry (1996) mentionne que ces organismes sont les plus grands rencontrés dans les biomasses épuratrices. Leur présence n’a pas semblé affecter l’efficacité du traitement de la BIO-FOSSEMD.

En fait, les Oligochètes se trouveraient en quantité considérable dans les lits à cultures fixées. Védry (1996) ajoute que leur présence serait normale chaque fois qu’il y a de la matière organique et que le temps de séjour de la biomasse est grand. Ces vers ont comme avantage de diminuer les boues en excès ou de les minéraliser et d’en réduire le volume. Ils se nourrissent de la biomasse épuratrice (biomasse bactérienne et protozoaires) et ils rejettent sous forme d’excréments la fraction organique et minérale non assimilée. Leurs excréments sont moulés, agglutinés par un mucus intestinal et appauvris en matière organique, produisant ainsi un volume réduit de boues en excès produites dans les lits bactériens. Dans un lit immergé régulièrement soumis à un lavage (ce qui n’est pas le cas de la BIO-FOSSEMD), leur présence en grand nombre est inquiétante car elle est signe d’accumulation de biomasse. Dans un tel cas, la solution ne consiste pas à supprimer les Oligochètes, car ils contribuent à la destruction des biomasses accumulées ; il faut plutôt éliminer ces biomasses. Il est à noter qu’un contrôle de la population Oligochètes est tout de même assuré par leurs prédateurs : Nématodes, Tartigrades et quelques Oligochètes eux-mêmes.

Vers le jour 58, soit juste après l’échantillonnage intensif, un décrochage de la biomasse est survenu, que l’on associe à un phénomène de desquamation. Les changements perçus au niveau microscopique pendant ce phénomène ont été les suivants : observation de Péritriches et de Paramécidés de façon plus régulière, disparition des Aspidiscidés et des Rotifères, augmentation du nombre de Nématodes et apparition d’Acariens. En contrepartie, les populations de Thécamibes et d’ Euplotes n’ont pas semblé affectées par cette desquamation. Par la suite, du Zoogloea a été observé de façon plus importante, probablement dû à la régénération de la biomasse (diminution temporaire de l’âge des boues).

Selon Védry (1996), les caractéristiques opérationnelles des cultures fixées impliquent les explications suivantes, qui peuvent aider à comprendre le phénomène de desquamation observé dans le réacteur. D’abord, les bactéries se développent en formant un exopolymère, gel qui a pour rôle de coller les bactéries entre elles et d’adsorber les substrats organiques de l’eau à épurer. Les prédateurs perforent le biofilm et en se déplaçant fragilisent des fragments entraînés par la vitesse ou le poids de l’eau à traiter. Les Nématodes, qui ont été observées plus régulièrement pendant la desquamation, exploitent la couche interne anaérobie et sont des agents de décrochage des biomasses épaisses. Par ailleurs, l’anaérobiose de la biomasse au niveau du support est la conséquence de la diffusion insuffisante de l’oxygène dissous à travers le biofilm. Soit que l’oxygène dissous disponible dans l’eau est trop faible (ce qui n’était pas le cas, puisqu’il était maintenu autour de 7 mg/L), soit que la consommation de l’oxygène par la dite biomasse est intense. Il résulte de l’anaérobiose que la biomasse a une évolution chimique et biochimique en profondeur différente de celle à la surface. Ainsi, en profondeur, la lyse bactérienne entraîne l’émission d’enzymes qui provoquent une défloculation et une zone fragile et décrochable.

Tout d’abord, l’opération du réacteur sous aération intermittente était caractérisée par les fréquents arrêts et départs de l’aération. Ceux-ci ont entraîné une diminution de la quantité de biomasse fixée sur les textiles. En effet, l’agitation fournie par les tuyaux d’aération était plus forte que celle provenant des agitateurs, provoquant un décrochage régulier d’une partie de la biomasse (observé visuellement).

Pendant la majeure partie de la phase expérimentale testant l’aération intermittente, soit des jours 140 à 356, la micro-faune est demeurée relativement semblable à celle observée sous aération continue entre les jours 22 à 55. Les Thécamibes ont donc continué à former la population dominante et deux nouveaux genres sont apparus ( genres Centropyxis et Euglyphia ). La faune microbienne était également caractérisée par la présence de différents Ciliés ( Euplotes , Amphileptidés, Paramécidés et Aspidiscidés). De même, Nématodes, Rotifères, Flagellés et bactéries filamenteuses étaient régulièrement observés. À l’occasion, des Ciliés  Spirostomun , des Acariens, des Péritriches et des algues diatomées ont aussi été vus. Du Zoogloea était souvent visible et la présence de bactéries libres a été notée.

Selon Védry (1996), les stress anoxiques entraînent habituellement la disparition des Péritriches. Cette disparition contribue habituellement à la prolifération d’espèces comme les Aspidiscidés, reconnus comme étant les derniers micro-organismes de la faune permanente des biomasses épuratrices à conserver une activité en cas d’anoxie prolongée.

Des vers Oligochètes ont continué à être observés pendant les cycles. Lors des premiers jours d’opération sous aération intermittente, ils n’étaient visibles qu’au microscope (g. Ælosoma ). À partir du jour 106, ces vers ont commencé à être visibles à l’œil nu, surtout pendant la phase non aérée (famille des Naïdidés). Ils étaient constamment visibles sur la biomasse (surtout en surface) et sur les parois du réacteur. À ce sujet, Védry (1996) rapporte que les Oligochètes peuvent survivre à des temps d’anoxie relativement longs (un jour), puisqu’ils possèdent des cellules capables de compenser quelques temps l’absence d’oxygène. Par contre, ils ne sont en aucun cas des espèces anaérobies.

En résumé, les espèces dominantes trouvées dans la biomasse ayant colonisé les textiles de la BIO-FOSSEMD se sont avérées êtres les Thécamibes (g. Arcella, g. Centropyxis et g. Euglyphia ), et les Ciliés de genres Euplotes et Aspidisca . La biomasse comprenait aussi d’autres Ciliés (g. Paramécium , g. Amphileptus et à l’occasion g. Opercularia ), des Vers (classes des Oligochètes, des Nématodes et des Rotifères), ainsi que des Flagellés (genres Bodo et Monas ). De plus, des bactéries filamenteuses de même que du Zoogloea ont été observés de façon régulière dans la biomasse.

Cette population diversifiée ressemble beaucoup à ce qui avait été observé par Tremblay (2001) lors de l’étude précédente sur la BIO-FOSSEMD, alors que la présence de Ciliés (genres Paramécium , Euplotes, Aspidisca ), de Rotifères et d’Amibes était régulière et celle de Flagellés, de Ciliés attachés et de Nématodes était occasionnelle. Par ailleurs, Tremblay (2001) rapporte avoir remarqué des Ciliés de la sous-classe des Suctoridés, de même que d’autres Ciliés appartenant aux familles des Enchélydés (g. Trachelophyllum ) et des Tétrahyméniens. Ces trois derniers types de Ciliés ont aussi été vus dans la biomasse lors de la présente étude, mais de façon plus ponctuelle.

En résumé, la microfaune et la microflore observées dans la BIO-FOSSEMD ressemblent à celles normalement trouvées dans les cultures fixées et sont indicatrices d’un traitement efficace (Lessard et LeBihan, 2003).

Dans le but de déterminer le temps de rétention hydraulique (TRH) réel du réacteur, des tests au traceur ont été conduits. L’expérience consistait à injecter instantanément une dose connue de traceur à l’affluent du réacteur et à effectuer un suivi de la concentration du traceur à l’effluent de celui-ci. Le suivi du traceur s’est effectué en mesurant la fluorescence de l’effluent. Une courbe standard a préalablement été réalisée pour établir la relation entre la fluorescence et la concentration en traceur (voir ANNEXE F). Le traceur utilisé était de l’uranine, nom de marque de la fluorescéine ayant la formule chimique C20H10NaO5. Une quantité de 1000 μg d’uranine (soit 10 mL d’une solution de 100 mg uranine/L) a été injectée à l’aide d’une pipette à l’entrée du réacteur, soit dans le tuyau séparant la zone tampon aéré du réacteur biologique. Les essais ont été réalisés avec un fluorimètre de marque Turner, employé avec une ouverture de 2 mm et un gain de 1. Des filtres NB490 (côté) et CS515 (devant) ont été employés. Des cuvettes en méthacrylate ont été utilisées pour la lecture des échantillons. Le débit de la pompe assurant l’alimentation en affluent a été vérifié avant et après chaque test et il s’est avéré stable à 24 ± 0,5 L/d.

Le volume d’eau contenue dans le réacteur a été évalué à 12,5 L (le volume occupé par le textile étant de 2,5 L pour un réacteur de 15 L). En considérant ce nouveau volume, le TRH théorique du réacteur biologique serait de 12,5 h au lieu de 15 h, valeur obtenue en divisant le volume effectif du réacteur (12,5 L) par le débit de l’affluent (24 L/d = 1 L/h).

Les TRH réels obtenus lors de la réalisation de deux tests au traceur sont résumés dans le Tableau 7 et présentés sous forme de graphiques à la Figure 20 et à la Figure 21. Ces essais se sont déroulés en octobre 2002, soit à la fin de la phase II des expérimentations. Les résultats sont présentés en détail à l’ANNEXE F.

L’allure générale de la réponse de la concentration par rapport au temps correspond en grande partie à l’écoulement dans un réacteur complétement mélangé (RCM). Habituellement, le TRH réel d’un RCM est inférieur au TRH théorique, dû à la présence de zones mortes, de court-circuitage et de courants de retour (Bouchard, 1997). Cependant, dans le cas présent, c’est plutôt l’inverse qui a été observé. En effet, les TRH réels obtenus sont plus longs que le TRH théorique.

a. après 23,5 h ; b. après 23,7 h

Figure 20. Temps de séjour dans le réacteur aéré et agité (2 au 4 oct. 2002)

Figure 21. Temps de séjour dans le réacteur agité (5 au 6 oct. 2002)

Une hypothèse avancée pour expliquer ces résultats serait l’affinité possible du traceur avec le milieu fixe. Par exemple, l’uranine pourrait avoir été adsorbée par la biomasse. Si tel est le cas, elle aurait aussi été désorbée, puisque la totalité de l’uranine injectée dans le réacteur a été récupérée à la sortie lors des deux tests. À ce sujet, Rozzi et Massone (1995) affirment que la diffusion du traceur dans la biomasse, suivie de sa rediffusion dans la phase liquide, est fréquemment observée dans les réacteurs à biofilm, causant un effet de queue (« tailing effect »). Riemer et al . (1980) ont d’ailleurs observé un phénomène de queue très prononcé dans un biofiltre dénitrifiant submergé, qu’ils attribuent au délai associé au temps passé par le traceur dans le biofilm. L’écart entre les TRH théorique et réel peut aussi s’expliquer en partie par la sous-estimation du volume d’eau dans le bioréacteur, de même que par l’incertitude de calcul qui est amplifiée dû au fait que les pas de temps ne sont pas égaux.

Par conséquent, la détermination du TRH réel de la BIO-FOSSEMD à partir des résultats provenant de ces essais au traceur n’est pas précise et les courbes obtenues ne correspondent pas aux conditions réelles dans le réacteur. De prochains essais pourraient être réalisés en utilisant un traceur différent de l’uranine. Par exemple, Stevens et al . (1986) ont utilisé des traceurs de poids moléculaire élevé pour réduire le plus possible leur diffusion dans le biofilm. Par ailleurs, des modèles mathématiques ont été conçus pour tenir compte de ce phénomène de queue. Riemer et al . (1980) rapportent par contre que tous les modèles qu’ils ont testés étaient inadéquats pour décrire ce phénomène tel qu’observé dans leur biofiltre dénitrifiant.