Comprendre la perte de nitrification dans une usine de traitement des eaux usées de raffinerie à l'aide du séquençage de l'ARNr 16S

Qu'est-ce qu'il y a à l'intérieur

Une usine de traitement des eaux usées de raffinerie a été surveillée pendant plusieurs années pour étudier la perte de nitrification complète. Lorsque d'autres facettes se sont révélées inutiles pour identifier un coupable, une enquête plus approfondie sur la communauté microbienne a été réalisée à l'aide de techniques avancées de caractérisation de la biomasse (Séquençage de l'ARNr 16S). Les améliorations opérationnelles et techniques entreprises à l'usine tout au long de l'étude ont conduit à la fiabilité du processus et à un traitement amélioré, cependant, les résultats suggèrent que la plus grande contribution à une nitrification complète cohérente a été la stabilisation d'une communauté microbienne souhaitée en raison de ces améliorations.

Cette recherche met en évidence l'utilité de la caractérisation avancée de la biomasse dans le traitement des eaux usées des raffineries pour comprendre les perturbations du procédé et identifier les changements au sein de la communauté microbienne qui contribuent aux changements dans la performance du traitement.

La version complète de cet article a été publiée dans le numéro de mars 2023 de Environnement et technologie de l'eau.

Résumé

Une usine de traitement des eaux usées de raffinerie (WWTP) dans le sud-ouest des États-Unis a été surveillée de juin 2017 à novembre 2020 pour étudier l'élimination de l'azote. La raffinerie a commencé à traiter des matières premières supplémentaires telles que des sables bitumineux légers et étanches, des huiles de schiste et des pétroles bruts conventionnels de diverses caractéristiques. La station d'épuration avait initialement supposé qu'une nitrification complète se produisait car les exigences de rejet d'ammoniac dans les effluents étaient continuellement respectées. Cependant, l'usine a eu du mal à répondre aux exigences en matière de toxicité des effluents. Cela a conduit à la nécessité d'une enquête immédiate, car l'usine se déverse dans des eaux réceptrices protégées.

Séquençage du gène ARNr 16S et cATP ainsi que d'autres données sur les processus de l'usine ont été recueillies de manière routinière à partir du bioréacteur 1 pour l'enquête. Le séquençage du gène de l'ARNr 16S a été réalisé à l'aide d'Illumina MiSeq pour déterminer l'abondance relative de toutes les bactéries et archées dans un échantillon jusqu'au niveau du genre. cATP est la vraie quantité de biomasse active, la partie vivante de la biomasse qui peut être utilisée pour analyser la santé et la capacité de traitement d'un système. cATP combinée à l'abondance relative peut être utilisée pour calculer la véritable concentration de l'organisme.

En septembre 2019, la station d'épuration a mis à jour l'unité de flottation à air dissous (DAF), qui a été achevée en septembre 2020 en raison de la suspicion de l'opérateur d'un fonctionnement insuffisant. Les améliorations apportées à l'unité DAF comprenaient :

• rectifications au séparateur d'eau d'huile primaire
• régler et réparer les séparateurs de flottation à air dissous
• optimiser les doses de coagulant et de floculant.

Après septembre 2019, les échantillons d'ammoniac et de nitrite provenant de l'effluent du bioréacteur ont montré des niveaux bas constants et il y a eu moins de perturbations enregistrées ; cela peut être vu à la figure 1. En février 2020, suite aux améliorations du traitement primaire, les concentrations d'huiles et de graisses dans les effluents étaient systématiquement plus faibles. Pendant ce temps, le charbon actif en poudre (CAP) - qui avait été ajouté en 2018 au bioréacteur pour aider à l'élimination des matières organiques dissoutes en raison de problèmes de toxicité - a été considérablement réduit tout en maintenant une efficacité de traitement équivalente ou supérieure. Les améliorations du système ont stabilisé la nitrification et évité les perturbations du système. De plus, les mises à jour apportées à la station d'épuration se sont révélées utiles pour comprendre les causes et les effets sur la communauté microbienne.

Les groupes fonctionnels d'organismes liés à quatre azote identifiés à l'aide du séquençage du gène de l'ARNr 16S sont :

• oxydant d'ammoniac (AOX)
• oxydant de nitrite (NOX)
• dénitrifiant (DN)
• nitrification-dénitrification simultanée (SND)

L'abondance de chaque groupe fonctionnel a été examinée avant et après les améliorations du traitement primaire. La carte thermique (figure 2) représente l'abondance par groupe au fil du temps : le rouge étant une faible concentration, le jaune une concentration modérée et le vert une concentration élevée.

Suite aux améliorations du traitement primaire, une réduction des organismes SND et une augmentation des AOX et NOX ont été observées. Le groupe fonctionnel le plus abondant était DN avec Thauera sp. étant le taxon DN le plus prédominant. Aérobie, autotrophe Nitrosomonas sp. et Nitrospira sp. étaient les genres les plus prédominants pour AOX et NOX, respectivement. Le DN est resté relativement constant, et la carte thermique montre qu'après les améliorations du traitement primaire en septembre 2020, il y a cohérence et stabilité au sein des groupes fonctionnels. Avant les améliorations de l'usine lorsque les concentrations de Thauera étaient élevées, il a été observé qu'il y avait une perte de nitrification. Suite aux améliorations, il a été observé que lorsque les concentrations de Thauera étaient élevées, il n'y avait pas de pertes de nitrification. Dans cette situation, on peut conclure que les organismes à DN élevé associés à des organismes à SND élevé n'étaient pas idéaux pour une nitrification efficace. De plus, des AOX et NOX modérés associés à un DN stable sont favorables à une nitrification complète.

Pour étudier plus en détail la communauté microbienne générée par le séquençage du gène de l'ARNr 16S, une parcelle d'analyse des coordonnées principales (PCoA) a été réalisée. Un graphique PCoA peut montrer des similitudes entre une communauté : les échantillons regroupés représentent des similitudes tandis que les échantillons éloignés les uns des autres représentent des dissemblances. Il a été constaté qu'après septembre 2020, après les améliorations du processus, les échantillons se sont regroupés. Cela peut être vu dans le cercle rouge ci-joint (Figure 3). Avant septembre 2020, les échantillons ne se regroupaient pas, montrant plus de dissemblance. Le graphique montre l'amélioration de l'efficacité du processus, permettant une croissance et un maintien stables des espèces souhaitées.

Le ratio de biomasse active (ABR) représente le pourcentage de solides en suspension totaux (TSS) qui sont des micro-organismes vivants. Il a été observé qu'avant les améliorations de la station d'épuration, la ligne de base ABR était inférieure à 10 % et après les améliorations, la ligne de base ABR a été augmentée à une plage de 15 % à 20 %. Cela indique et prouve en outre l'amélioration du processus car l'ABR est calculé à l'aide de solides volatils actifs en suspension (AVSS). L'AVSS est une indication directe de la biomasse vivante telle qu'elle est calculée à l'aide de cATP.

En stabilisant les communautés microbiennes souhaitées, une nitrification complète cohérente pourrait être obtenue. Cela a finalement été associé à des améliorations apportées à l'usine, mais pouvant être vérifié et expliqué à l'aide de cATP et l'analyse génomique lorsque les analyses traditionnelles comme la microscopie ont échoué. Séquençage génomique de routine et cATP la surveillance s'est avérée bénéfique dans toutes les gammes d'efficacité du processus.