Dans un premier temps, le développement des bactéries a été réalisé en présence d’une source soluble de soufre, le thiosulfate (S2O32-). En effet, une période de 60 jours a été suffisante pour
réduire suffisamment la teneur en nitrates dans le milieu de culture préparé et utiliser ce dernier pour inoculer les systèmes de dénitrification étudiés.
Dans un second temps, une série de tests complémentaires a été réalisée à l’échelle laboratoire et à l’obscurité afin d’étudier l’influence de différents milieux de culture (présence d’inoculum ou d’un agent de neutralisation, nature de la source de soufre (soufre élémentaire et/ou thiosulfate)) sur le développement de la biomasse dénitrifiante et d’identifier les conditions les plus favorables en termes de rapidité et d’efficacité en vue d’une application du procédé de DASC à une échelle pré-commerciale. Les Figures 4-1 à 4-3 présentent l’évolution des
Selon les résultats obtenus concernant l’évolution du pH (Figure 4-1a), il est possible de constater que les profils sont similaires pour les différentes conditions testées en l’absence d’inoculum, excepté pour les essais effectués en présence de soufre et en présence de soufre/thiosulfate. En effet, pour les essais réalisés en présence de soufre et de soufre/thiosulfate, une acidification importante et significative du milieu a été observée après 14 jours (pH < 6,0) (Annexe 4). Cette diminution significative du pH s’explique par le fait que la réduction d’une mole de nitrates produit environ 1,1 moles de protons et entraîne la consommation du bicarbonate, comme l’indique l’Équation 2-5 (Benmoussa, 1997). Pour l’essai réalisé en présence de soufre/thiosulfate, l’acidification du milieu observée est significativement plus importante comparativement aux autres essais (t4;0,05 > 2,776), ce qui
peut être expliqué par le fait que le développement de la biomasse et la réduction des nitrites/nitrates sont plus favorables en présence d’une source soluble de soufre, le thiosulfate. Ces résultats sont en accord avec les observations réalisées par Trouve et al. (1998) indiquant que le développement des Thiobacillus denitrificans est plus favorable en fonction de la source de soufre disponible : S2O32- > S0.
Pour l’ensemble des essais réalisés en l’absence d’inoculum et en présence de calcaire, le pH est resté stable (pH = 6,0–7,0), mettant en évidence que l’ajout de calcaire permet de stabiliser de manière significative le pH, en neutralisant les protons H+ produits (Annexe 4).
Pour les essais réalisés en présence d’inoculum (Figure 4-1b), la diminution du pH observée pour les essais réalisés en présence de soufre et de soufre/thiosulfate/calcaire est significativement plus importante et plus rapide que celle observée pour les essais réalisés en l’absence d’inoculum après 32 jours (Annexe 5). Cette diminution plus importante du pH en présence d’inoculum peut s’expliquer par le fait que les bactéries dénitrifiantes présentes dans l’inoculum ont favorisé le développement de la biomasse bactérienne et, par conséquent, l’efficacité de dénitrification et la production d’ions H+. Dans le cas de l’essai réalisé en présence
de soufre/thiosulfate/calcaire, l’ajout de calcaire n’a pas été suffisant pour neutraliser l’acidité produite au cours de la dénitrification qui s’est avérée plus efficace.
une dénitrification efficace après 21 jours seulement (rendements d’enlèvement des NOx ≥ 83,7%) à l’exception des essais réalisés en présence de soufre uniquement. L’absence de
dénitrification pour les essais réalisés en présence de soufre uniquement peut être liée au non- développement des bactéries dénitrifiantes dans les premiers sept jours malgré une baisse continue du pH (pH < 5,5) et de l’alcalinité probablement due à l’oxydation du soufre en sulfates en présence d’oxygène. De plus, selon certains auteurs, les performances de dénitrification diminuent en raison de l’accumulation de l’oxyde nitreux observée suite à l’inhibition des enzymes réductases d’oxyde d’azote pour des pH inférieurs à 6,0 (Bergaust et
al., 2000; Holt et al., 1994), cela pourrait venir expliquer l’augmentation de la teneur résiduelle
en NOx à partir du 7ième jour. En outre, les résultats obtenus permettent de mettre en évidence
que l’ajout de thiosulfate, source soluble de soufre, améliore de manière significative la cinétique de dénitrification après seulement 4 jours d’exposition et ce, jusqu’au 11ième jour. Ces
résultats sont en accord avec des observations réalisées par d’autres auteurs. En effet, Trouve
et al. (1998) ont mis en évidence que les nitrates sont totalement réduits en présence de
thiosulfate après 2 jours seulement, alors qu’une période de 15 jours n’est pas suffisante au développement de certaines souches de Thiobacillus denitrificans en présence de soufre élémentaire. Cependant, une diminution des performances de dénitrification est observée pour les essais réalisés en présence de soufre/thiosulfate après 14 jours comparativement aux essais réalisés en présence de soufre/calcaire et de soufre/thiosulfate/calcaire. Le ralentissement des performances de dénitrification observé pour l’essai réalisé en présence de soufre/thiosulfate peut être expliqué par l’acidification du milieu (pH < 5,5) après le 8ième jour, ayant entraîné une
inhibition des enzymes réductases d’oxyde d’azote.
Une dénitrification efficace (rendement de près de 100%) a été observée après seulement 4 jours pour l’essai réalisé en présence de soufre/thiosulfate/calcaire et après 21 jours pour l’ensemble des autres essais réalisés en présence d’inoculum (Figure 4-2 b), à l’exception de celui réalisé avec de l’eau usée uniquement. Ces essais mettent en évidence que l’ajout
plus efficace et plus rapide observée en présence d’inoculum permettrait ainsi de réduire la période de développement de la biomasse dénitrifiante. Les essais réalisés en présence de soufre et de soufre/calcaire ont également été plus lents à dénitrifier contrairement aux essais réalisés en présence de thiosulfate.
Les Figures 4-3a et 4-3b présentent l’évolution de l’alcalinité pour les différentes conditions opératoires testées en l’absence et en présence d’inoculum, respectivement. Selon les résultats obtenus, une diminution de l’alcalinité est observée pour les essais réalisés en présence de soufre, de soufre/thiosulfate et de soufre/thiosulfate/calcaire. Cette diminution de l’alcalinité est expliquée par le fait que la réduction des nitrates par les bactéries autotrophes dénitrifiantes consomme 3,91 g de CaCO3 par gramme de nitrates réduits (Équation 2-6) (Zhang
et Lampe, 1999). Une compensation de l’alcalinité consommée doit, par conséquent, être réalisée afin de maintenir une alcalinité stable et de permettre aux bactéries dénitrifiantes de fonctionner dans des conditions favorables. Pour les essais réalisés en présence de soufre/calcaire, il est constaté que l’alcalinité du milieu est restée constante tout au long de la période de développement de la microflore bactérienne. Cependant, pour les essais réalisés en présence de soufre/thiosulfate/calcaire, une diminution de l’alcalinité est observée, mettant en évidence que la quantité de calcaire ajoutée n’était probablement pas suffisante pour compenser la consommation de CaCO3 en raison des bonnes performances de dénitrification,
améliorées grâce à la présence de thiosulfate. Ces résultats mettent en évidence la nécessité d’ajouter du calcaire comme agent neutralisant pour maintenir l’alcalinité du milieu.
D’après les résultats obtenus et discutés ci-dessus, il est évident que l’essai réalisé en présence d’eau usée, d’inoculum, de soufre, de thiosulfate et de calcaire s’avère être le plus efficace d’un point de vue efficacité de dénitrification (abattement total des NOx en seulement 4 jours).
Cependant, le profil de pH correspondant demeure inquiétant dans la mesure où une baisse importante et incontrôlable du pH est à prévoir au-delà de 15 jours de fonctionnement. Par conséquent, l’essai réalisé en présence d’eau usée, de soufre et de calcaire semble être un bon compromis concernant la détermination des conditions les plus favorables à un développement rapide et efficace de la microflore dénitrifiante. Ces conditions demeurent les plus sécuritaires pour prévenir la diminution du pH et maintenir ce dernier dans les conditions optimales de
croissance des bactéries dénitrifiantes, tout en assurant une dénitrification quasi-totale (84%) en 14 jours ou une éventuelle dénitrification totale (100%) en 21 jours.
L’effet de l’obscurité sur l’étape de développement et d’acclimatation de la microflore dénitrifiante n’a pas été testé au cours de cette phase d’optimisation, cependant plusieurs auteurs ont affirmé que la dénitrification est nettement plus efficace quand elle a lieu à l’obscurité (Simard, 2010; Olivier, 2007) et en profondeur. En effet, en profondeur la lumière est moins présente, ce qui rend l’enlèvement des nitrates plus aisé en profondeur, surtout pendant l’automne, alors qu’au printemps, la dénitrification a plus lieu dans les eaux de surface ou les moins profondes car la lumière s’introduit moins (Sundbäck et al., 2004).
a.
b.
Figure 4–1 Évolution du pH en fonction des conditions utilisées pour le développement de la microflore dénitrifiante en l’absence d’inoculum (a.) ou en présence d’inoculum (b.)
a.
b.
Figure 4–2 Évolution des teneurs résiduelles en NOx (NO3-N/L) en fonction des conditions utilisées pour le
a.
b.
Figure 4–3 Évolution de l’alcalinité (mg/L) en fonction des conditions utilisées pour le développement de la microflore dénitrifiante en l’absence d’inoculum (a.) ou en présence d’inoculum (b.)