Rôle des matériaux-supports sur la mise en place du biofilm : application au démarrage d’un procédé de méthanisation

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Submitted on 3 Jun 2020

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Rôle des matériaux-supports sur la mise en place du biofilm : application au démarrage d’un procédé de

méthanisation

Frédéric Habouzit

To cite this version:

Frédéric Habouzit. Rôle des matériaux-supports sur la mise en place du biofilm : application au démarrage d’un procédé de méthanisation. Journées de la Méthanisation : Applications Agricoles et Industrielles, Moletta Méthanisation. FRA., Dec 2016, Chambéry, France. �hal-01603924�

ROLE DES MATERIAUX-SUPPORTS SUR LA MISE EN PLACE DU BIOFILM :APPLICATION AU DEMARRAGE D’UN PROCEDE DE METHANISATION

F

HABOUZIT,

INRA, UR0050, Laboratoire de Biotechnologie de l'Environnement (LBE) 102 Avenue des Etangs F-11100 Narbonne

M

: Biofilm, Digestion anaérobie, Adhésion microbienne, Empreinte moléculaire, Energie de surface

Dans les systèmes anaérobies de traitement d'eaux usées, la biomasse microbienne complexe incluant archées et bactéries peut être maintenue au sein du procédé par l'adhésion aux supports solides sous forme de biofilm. Le but de ce travail est d'évaluer l'impact des propriétés des matériaux supports sur l’adhésion et la colonisation du consortium méthanogène. Le biofilm est ainsi évalué quantitativement et les structures communautaires bactériennes et archéennes sont observées grâce à l'analyse moléculaire à différents stades de sa mise en place.

L’adhésion des micro-organismes est différente en fonction des matériaux. En terme quantitatif, le PP, l’acier inoxydable et le PE facilitent les phénomènes d’adhésion contrairement au verre et au PVC. L’ensemble des profils liés aux archées attachées aux différents supports sont très proches entre eux et sont différents du profil de l’inoculum. Les profils SSCP des populations microbiennes montrent une disparité plus importante que dans le cas des archées. La quantité relative des archées dans la population totale est fortement dépendante du matériau utilisé. Deux polymères, le PVC et le PC, pour lesquels le taux de recouvrement est faible présentent une augmentation significative de la proportion d’archées en comparaison de celle de l’inoculum.

L’adhésion des micro-organismes de la digestion anaérobie sur les surfaces des matériaux- supports constitue une première étape dans le processus de formation du biofilm. A ce stade, la formation du biofilm est à peine amorcée. Sa mise en place ne s’arrête pas là. Jusqu’à l’obtention d’un biofilm mature rien ne permet de prédire que les différences observées vont subsister une fois le biofilm installé. Nous avons en partie répondu à cette question grâce à la mise en place de deux réacteurs annulaires rotatifs « jumeaux » afin d’estimer l’état du biofilm à différents stades de sa formation. Chacun des réacteurs est équipé de coupons des 7 matériaux utilisés dans l’étude de l’adhésion. Le premier réacteur est utilisé pour apprécier l’état du biofilm à la fin de la période d’adaptation après 15 jours de fonctionnement tandis que le second permet l’évaluation du biofilm plus mature. La période d’adaptation est relative à la durée nécessaire à l’obtention de l’équilibre de la chaîne trophique. Cet équilibre est évalué à l’échelle macroscopique sur les paramètres de fonctionnement des réacteurs, il est considéré comme atteint lorsque les concentrations en AGV sont décroissantes et le taux d’élimination du substrat organique redevenu supérieur à 80%. Une augmentation de la CVA est alors possible sans perturber le procédé. A ce stade, 15 jours après l’inoculation, le biofilm le plus important s’est accumulé sur le coupon en PP. C’est déjà sur ce matériau que l’adhésion était la plus forte après 2 heures de contact. L’idée selon laquelle la proportion d’archées est un paramètre important se confirme avec les résultats obtenus sur le PVC.

Malgré un recouvrement initial faible, la quantité de biofilm formé après 15 jours est

équivalente à celles obtenues sur les autres coupons.

La deuxième période commence dès que l’équilibre de la chaîne trophique est acquis et se termine lorsque la charge nominale préalablement déterminée est atteinte. A ce stade de croissance, les biofilms sont beaucoup plus homogènes entre les matériaux, tant quantitativement qu’en terme de proportion d’archées.

Lors de l’adhésion puis de la colonisation des micro-organismes, les matériaux jouent clairement un rôle mais il ne perdure pas toujours. Il est supposé que dans les conditions expérimentales appliquées la formation des biofilms est biaisée par l’installation simultanée de l’ensemble des coupons dans le même réacteur

Le biais susceptible de masquer l’influence des matériaux sur la composition du biofilm plus mature a été éliminé dans cette dernière étude. De nouveaux tests facilitent l’observation de la composition des biofilms ainsi que celle de leur formation sur quatre matériaux différents (PE, PP, PVC et Bioflow 30®). Afin de contrôler la persistance de l’effet des matériaux sur la mise en place d’un biofilm anaérobie chaque matériau est utilisé comme support unique d’un réacteur à lit fixe. La comparaison des réacteurs s’effectue en fonction du comportement de chacun des réacteurs lors de leur démarrage, de leur performance épuratoire tout en considérant l’évolution quantitative et qualitative de la colonisation des supports.

La mise en place des biofilms a été étudiée au sein de réacteurs à lits fixes. La montée en charge a été réalisée en augmentant la concentration de l’alimentation tout en maintenant un TSH inférieur au temps de doublement des populations d’archées. Le suivi du rendement méthane se révèle pertinent pour évaluer les performances des réacteurs et comparer l’impact des matériaux testés. En effet, la rapidité avec laquelle le rendement méthane théorique est atteint – même si elle est variable en fonction de la montée en charge appliquée – est dépendante du support utilisé. Les résultats obtenus indiquent ainsi que le PP et le PVC contribuent à la mise en place rapide du biofilm anaérobie.

Concernant la composition du biofilm en termes d’espèces bactériennes, les populations adhérées sont fortement dépendantes de la nature de l’inoculum. Au contraire, les populations d’archées des biofilms sont spécifiques au matériau et indépendantes de l’inoculum. Les caractéristiques de l’inoculum déterminent donc la qualité du futur biofilm. Cependant, pour un inoculum donné, les matériaux impactent fortement la sélection des populations d’archées.

Cette dernière étude valide l’existence des liens établis entre les supports et les micro- organismes. Les matériaux jouent un rôle dans la formation du biofilm anaérobie malgré des résultats très différents en termes de performance et de colonisation.

Cet exemple du consortium méthanogène et des réacteurs de digestion anaérobies peut être

élargi et ouvre des perspectives intéressantes en ce qui concerne le pilotage des réacteurs à

biomasse fixée. Le choix du matériau-support est un paramètre à prendre en compte par

l’opérateur (diminution de la période de démarrage, sélection des micro-organismes, contrôle

des fonctions) lors de la mise en place de tous bioprocédés intensifs à biomasse fixée.