Optimisation des conditions de culture des bactéries dénitrifiantes par la méthode des plans d'expérience

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Sommaire Page Titre du PFE………………………………………………………………… 1 Dédicaces……………………………………………………………………... 2 Remerciements…………………………………………………………………. 3 Sommaire……………………………………………………………………… 5 Liste des abréviations…………………………………………………………... 9 Liste des figures………………………………………………………………... 10 Liste des tableaux……………………………………………………………… 14 INTRODUCTION 16 1. SYNTHÈSE BIBLIOGRAPHIQUE 18 1.1. Valorisation et traitement des eaux usées traitées…………………... 18 1.1.1. Rareté des ressources en eau en Tunisie…………………………………………… 18 1.1.2. Réutilisation des eaux usée………………………………………………………… 18 1.1.3. Qualité et normes…………………………………………………………………... 18 1.2. Généralités sur l’azote……………………………………………. 19 1.2.1. Azote et origine…………………………………………………………………….. 19 1.2.2. Cycle de l’azote…………………………………………………………………….. 20 1.2.1. Ammonification……………………………………………………………………. 21 1.2.2. Nitrification………………………………………………………………………… 21 1.2.3. Dénitrification……………………………………………………………………… 22 1.3. Azote et risques sanitaires……………………………………………………………. 22 1.3.1. Métabolisme des nitrates chez l’Homme…………………………………………... 23 1.3.2. Impact des nitrates sur l’environnement………………………………………….... 23 1.3. Mécanisme de dénitrification biologique…………………………… 24 1.3.1. Réduction assimilatrice et dissimilatrice des nitrates………………………………. 24 1.3.2. Mécanismes bactériens…………………………………………………………….. 25 6 1.3.3. Traitement biologique……………………………………………………………... 26 1.4. Facteurs influençant la dénitrification…………………………….. 27 1.4.1. Nitrate et nitrite…………………………………………………………………….. 27 1.4.2. Carbone organique…………………………………………………………………. 29 1.4.3. Oxygène……………………………………………………………………………. 33 1.4.4. Influence du pH…………………………………………………………………….. 35 1.4.5. Influence de la température………………………………………………………… 35 1.4.6. Influence biologique……………………………………………………………….. 37 1.5. Les plans d’expériences…………………………………………… 37 1.5.1. Principe de la méthode……………………………………………………………... 37 1.5.2. Plans complets à deux facteurs…………………………………………………….. 39 1.5.3. Plans factoriels fractionnaires à deux niveaux 2k–p…………………………………….. 40 1.5.4. Les plans de mélanges……………………………………………………………… 41 2. MATÉRIEL ET MÉTHODES 44 2.1. Recherche et isolement des souches bactériennes……………………. 44 2.1.1. Échantillonnage……………………………………………………………………. 44 2.1.2. Isolement…………………………………………………………………………… 45 2.1.3. Étude des caractères morphologiques et biochimiques des souches isolées……….. 45 2.2. Caractérisation biochimique des souches bactériennes………………... 46 2.3. Optimisation par plans d’expériences………………………………. 47 2.3.1. Dénitrification des nitrites et des nitrates en mode « batch »……………………… 47 2.3.2. Optimisation de la constitution de la biomasse dénitrifiante : le plan de mélange… 48 2.3.3. Optimisation des conditions nutritionnelles de culture du consortium bactérien….. 48 2.4. Dosages des prélèvements………………………………………… 54 2.4.1. DO600 et centrifugation…………………………………………………………..…. 54 2.4.2. Dosage des nitrites par le réactif de Zambelli……………………………………… 54 2.4.3. Dosage des nitrates…………………………………………………………………. 55 2.4.4. Détermination de la DCO………………………………………………………….. 55 7 2.4.5. Matière En Suspension (MES)……………………………………………………... 58 3. Résultats et Discussion 59 3.1. Recherche et isolement des souches dénitrifiantes……………………………... 59 3.1.1. Caractérisation des souches par l’Api Staph……………………………………….. 59 3.1.2. Caractérisation des souches par l’Api 20 NE …………………………………….. 60 3.2. Optimisation par les plans d’expériences……………………………………... 61 3.2.1. Optimisation de la constitution de la biomasse dénitrifiante………………………. 61 3.2.1.1. L’analyse statistique par Minitab 14.0…………………………………………… 62 3.2.1.2. Plan de mélange centré…………………………………………………………... 64 3.2.1.2.1. L’abattement de la DCO……………………………………………………….. 64 3.2.1.3. Détermination des compositions optimales : Plan de mélange centré augmenté… 67 3.2.1.3.1. Suivi de la biomasse…………………………...……………………………….. 68 3.2.1.3.2. Consommation d’acide acétique……………………………………………….. 69 3.2.1.3.3. Taux de réduction de nitrate …………………………………………………… 69 3.2.1.3.4. Accumulation de nitrite………………………………………………………… 71 3.2.2. Optimisation des conditions de culture………………………….…………………. 75 3.2.2.1. Matrices des plans………………………………………………………………... 76 3.2.2.2. Estimation de l'erreur…………………………………………………………….. 77 3.2.2.3. Optimisations des conditions de culture pour le % de réduction de nitrate……… 80 3.2.2.4. Optimisations des conditions de culture pour l’accumulation de nitrite…………. 89 3.2.2.5. Optimisations des conditions de culture pour le % d’abattement de DCO..…...… 97 3.2.2.6. Détermination des optimums des facteurs étudiés……………………………….. 106 3.2.2.7. Variation du pH des expériences. …………………….…………………………. 107 Conclusion et Perspectives 109 Références Bibliographiques