Epuration Bio

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Text of Epuration Bio

  • 1F. Edeline

    Lpurationbiologiquedes eaux

    THEORIE & TECHNOLOGIEDES REACTEURS

    4e dition entirement revue et complte5e tirage

    CEBEDOCEDITEUR

    2, rue Armand StvartB4000 Lige

    Tl. (04) 252 00 86Fax (04) 254 03 63

    11, rue LavoisierF75384 Paris cedex 08

    Tl. (1) 42 65 39 95Fax (1) 47 40 67 02

  • LPURATION BIOLOGIQUE DES EAUX

    SOMMAIRE

    Avant-propos .................................................................................................... 5

    LE MTABOLISME MICROBIEN

    1. Energtique du mtabolisme.............................................................................92. Mtabolisme des dcomposeurs ......................................................................273. Enzymologie......................................................................................................394. Dynamique des populations microbiennes ....................................................53

    LES RACTEURS HTROTROPHES

    5. Racteurs arobies biomasse fixe (lits bactriens) ...................................816. Racteurs arobies biomasse en suspension (boues actives)..................1277. Racteurs anarobies (mthaniseurs)...........................................................1798. Dnitrificateurs htrotrophes......................................................................2259. Sulfatorducteurs ...........................................................................................235

    LES RACTEURS AUTOTROPHES

    10. Nitrificateurs...................................................................................................24111. Dnitrificateurs autotrophes .........................................................................255

    LES RACTEURS MIXTES

    12. Racteurs algo-bactriens (tangs de stabilisation) ....................................25913. Dphosphateurs biologiques..........................................................................27514. Racteurs charbon actif..............................................................................283

    APPENDICE

    Les domaines dapplication...........................................................................291Liste des notations et symboles utiliss ........................................................297

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    Photo de couverture : Rotifre + flocs + bactries filamenteuses de Sphaerotilus natans + quelquesprotozoaires pdonculs. Grossissement 100 (Prof. J. Brakel et M. Culot, Facultdes Sciences Agronomiques de Gembloux, UER de Microbiologie).

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  • Avant-proposCet ouvrage nest pas un trait de microbiologie, on ny trouvera donc pas de dve-loppements dtaills sur le mtabolisme des microorganismes, par exemple la des-cription des diffrents cycles et filires comme Krebs, Entner-Doudoroff, Embden-Meyerhoff, Calvin, etc. On ny trouvera pas davantage de cl dtaille pour lidenti-fication des microorganismes, ni un inventaire fouill des enzymes et de leur mca-nisme daction. Au contraire on a essay dextraire de ce corps impressionnant deconnaissances quelques lignes synthtiques claires, point trop simplifies, et qui per-mettent de guider lingnieur sanitaire aussi bien dans le choix des procds dpu-ration que dans linterprtation de leurs dysfonctionnements.

    Pour ceux quintresserait lapprofondissement de ces matires, nous les renvoyonsaux quelques excellents ouvrages suivants :

    BROCK, T.D., MADIGAN, M.T. (1991). Biology of microorganisms (6th ed.).Prentice-Hall Int. Ed.

    Buck H., Buck S. (1987), Mikroorganismen in der Abwasserreinigung, F.Hirthammer Verlag Mnchen.

    CURDS, C.R. (1969). An illustrated key to the British ciliated protozoa commonlyfound in activated sludge, (Water Poll. Res. Technical Paper n 12).

    FOX J.C., FITZGERALD P.R., LUE-HING C. (1981), Sewage organisms : a color atlas,The Metropolitan Sanitary District of Greater Chicago, Illinois.

    GAUDY, A.F., GAUDY, E.T. (1980). Microbiology for environmental scientists andengineers, Mc Graw-Hill.

    PIRT, S.J. (1975). Principles of microbe and cell cultivation, Blackwell (Oxford).VEDRY B. (1987), Lanalyse cologique des boues actives (SEGETEC).

    La prsente version des chapitres introductifs consacrs la biocintique et la bio-nergtique doit beaucoup lrudition et la pratique pdagogique de mes col-lgues la Facult des Sciences Agronomiques de Gembloux, MM. Jacques Brakelet Marc Culot, respectivement Professeur et Chef de Travaux, que je remercie pourleur aide dsintresse.

    Lige, le 30 mai 1993F. EDELINE

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    F. EDELINE est Ingnieur Chimiste A.I.Gx, Directeur honoraire du Cebedeau,Professeur la Facult des Sciences Agronomiques de Gembloux.

    DU MME AUTEUR :

    Lpuration physico-chimique des eauxTHORIE & TECHNOLOGIEEditions Cebedoc, 1996

    ISBN 2-87080-030-4

    Editions CEBEDOC sprl, Lige, 1997

    Tous droits de traduction, dadaptation et de reproduction rservs pour tous pays.Printed in Belgium D/1997/0243/3

  • PREMIERE PARTIE

    Le mtabolisme microbien

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  • CHAPITRE PREMIER

    Energtique du mtabolisme

    La matire vivante est thermodynamiquement instable, et ne peut se maintenir sans unapport continu dnergie. Cette nergie provient du soleil (nergie lumineuse) ou de ladgradation des aliments. Le flux dnergie solaire sur la terre est de 20 cal/m2. min.La matire vivante respecte les lois de la thermodynamique,et en particulier le2e Principe, selon lequel lentropie augmente toujours. Un transfert dnergie ne sedroulera spontanment que sil a lieu dun niveau lev vers un niveau bas : lesractions spontanes sont exergoniques. Lnergie libre G est celle qui est renduedisponible au cours dune raction chimique isotherme et isochore (Tet Pconstantes). Cette nergie nest toutefois pas rcuprable intgralement en travail,une partie tant ncessairement dissipe en chaleur.

    1. Variation dnergie libreG = Potentiel thermodynamique pression et temprature constantes,

    ou nergie libre (chez les anglo-saxons : F).H = Contenu de chaleur ou enthalpie.S = Entropie.T = Temprature absolue.

    Par convention une nergie libre par une raction exothermique (H) ou exergo-nique (G) est considre comme ngative. Lquation

    G = H TS (1.1)donne la variation dnergie libre au cours dune raction. H est la modificationdenthalpie ou chaleur de raction. TS est la portion de lnergie libre qui apparatsous forme de chaleur, c. . d. non utilisable : cest la chaleur de raction rversible.Selon Ppel, elle se monte 7-13 k cal. par g de C dgrad.Par ex., pour loxydation du glucose G = 691 kcal/mole dans un calorimtre,alors quon ne peut en fait rcuprer que 673 kcal dnergie chimique. On a donc :

    C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2OTS = 18 kcal = H G = 673 ( 691) kcal.

    En pratique, pour la dgradation de molcules organiques, le terme TS est faibledevant H, et on peut souvent admettre, pour les estimations, G = H. Ce sont lescomposs covalents, dont la dgradation libre beaucoup dnergie, qui constituent

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    ENERGETIQUE DU METABOLISME

  • Soit enfin une raction donnant lieu lquilibre :A + B C + D (1.2)

    Lorsque cet quilibre est atteint, il ny a plus de conversion de A et B en C et D nirciproquement et le potentiel thermodynamique ne varie plus :

    G = 0 (1.3)A ce moment galement on dfinit la constante dquilibre

    K = [C] [D] (1.4)[A] [B]

    Lquation gnrale pour le calcul de G

    G = RT ln [C] [D] RT ln K (1.5)[A] [B]

    se simplifie alors en tenant compte de (2) et (3), et permet de poserG = RT ln K (1.6)

    On appelle G potentiel thermodynamique normal de la raction car on voit que sitoutes les concentrations sont normales (gales 1) dans (5), il reste (6). Lquation(5) permet de calculer le G pour toutes conditions autres que lquilibre.Le G est exprim en cal/mol et peut tre calcul, mais il est galement li au rH etau potentiel redox, comme on va le voir. Lnergie libre libre ou absorbe par uneraction est lie au saut de rH correspondant (rH)

    n G = 2,3 RT . rH = 1420 rH ( 37 C)1364 rH ( 25 C)

    Cest ainsi que la raction globale H2 + 1/2 O2 = H2O fait passer le rH de 0 41 doG= 1420 x 41 = 58 000 cal/mol.G est li de mme au saut de potentiel redox (E0) exprim en mV

    G = nFEo

    = 23,06 nE0En effet F = 96 500 coulombs, et 1 cal = 4,186 joules.

    De mme, on a rH = 2 pH +Eh do rH = 14 +

    Eh29 29

    Cest prcisment cette nergie (58 000 cal/mol) qui est libre et rcupre en boutde chane par lATP au cours du mtabolisme arobie, o loxygne est laccepteurfinal de lhydrogne. Mais cette libration est tage, grce plusieurs cytochromes.Ce sont donc dune faon gnrale les rducteurs qui sont intressants comme ali-ments pour les bactries, car ce sont des rservoirs dnergie chimique potentialise :des donneurs dhydrogne. Ex. : mat.organiques, H2, H2S, NH3

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    ENERGETIQUE DU METABOLISME

    des substrats intressants pour les bactries htrotrophes. Pour dautres processus,comme la dissolution de cristaux dans leau, cest TS qui est le terme dominant,car le dsordre crot beaucoup, alors que la chaleur change peu. Ce sont des compo-ss lectrovalents, dont la dgradation libre comparativement peu dnergie, et quine sont donc pas utiliss par les microorganismes.

    Lnergie libre nest videmment pas utilise sous forme de calories ( peu prssans intrt pour la cellule) mais pour effectuer un travail essentiellement chimique.Par exemple la synthse dune protine partir dacides amins exige 7 k cal par reste damino acide ; de mme la synthse des hydrates de C partir de CO2exige + 114 kcal/mole CH2O (cas du Nitrosomonas sp.). Pour la resynthse du glu-cose il en faut donc environ :

    6 x 114 = 684ce qui correspond bien ce qui est libr par la dcomposition du glucose.

    Toutes les oxydo-rductions cellulaires, accompagnes de transfert dnergie (partransfert progressif dhydrogne ou dlectrons) peuvent tre caractrises par unr