Powder
Technology.
35 (1983)
139 - 142
139
Review Paper
Caractkis~tion des Floes: Revue Bibliographique M. 0.
DEVLOO
Labomtoire
et C_ DRAKIDES
de GPnie Chimique
AppZiquP oux Biotechnologies,
U.S.T.L.
34060 AZontpeZZier. CPdex (France)
R. BEN AIM I_F-T-S
“Au &rail';
Cet article
Brax 4 73 IO. Loplume
constitue
une
revue
(France)
bibliographi-
que des diffkentes me’thodes de caracterisation des particules de floe_ La diversite’ des me’thodes utilis&s et le manque de dt?finirion du floe en tant qu’objet d’titude entmhenf une he’t&og&z&te certaine des mesures de tailk De plus, l-absence de caract&sation des particules (taille mais aussi forme et composition) ne per-met d’autres mod&sations que des modklisations empiriques.
SUMnlARY
In this paper, the literature on the characterization of floe particles is reviewed_ The quantification of the biological floe characteristics is difficult and the problem of methodology arises The literature-review permits the following conclusions: - the variability of the results is a function of method used; - the optical methods are the most useful, but their application is long and tedious; -the dimensional chamcteristics alone are inadequate, and the determination of other parameters would be interesting_
INTRODUCTION
Deux phenomenes fondamentaux interviennent dans l’epuration biologique des eaux usdesr - une croissance des micro-organismes sous forme floculCe (contrairement aux bior&acteurs industiels) ce qui implique I’exis-
tence d’une etape de diffusion dans les processus de degradation; - une separation entre les floes form6s et l’eau &puree. De ce fait? l’efficaciti de I’epuration est Ii&e, pour une part importante, aus caractkistiques physiques du floe qui d6pendent ellesmOmes des conditions d’agitation dans le bassin d’akationUne meilleure maitrise de l’epuration depend done d’une meilleure connaissance des floes. Les auteurs qui ont aborde ces problemes ont proposal des methodes de mesure: - de la dimension des floes soit par determination dire&e soit par evaluation d’un “diametre” equivalent; ..- de la masse volumique des floes dont la connaissance peut Gtre rGcessaire pour la d&ermination indirecte d’un diam&re equivalent ou rkulter au contraire d’une ditermination prealable de la dimension. L’influence des conditions d’agitation a egalement et6 ktudiCe_
REVUE
BIBLIOGRAPHIQUE
1) Din-w i~l~n des particules C’est une caractkistique primordide des boues activ&es. L’eventail des techniques de mesures utilisfks est tres large; en effet aucune methode standard n’a Bt& retenue jusqu’i p&sent et le protocole expkimental varie d’un auteur i Pautre_ Il s’agit soit de m&hodes visuelles de determination dire&e, soit de mesures de diametres equivalents: diamGtre de la sphgre ayant mBme surface spkifique, m&me volume ou mBme vitesse de d&antation
@ Ekevier Sequoia/Printed
in The Netherlands
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Me’thodes visuelles* En g&&al, ces mesures concement des dimensions maximales et sont effect&es dans des conditions tri% diffkentes: - i partir de photographies qui sont r&lis&s sur des dchantillons de bows dispersges dans une solution saline [l] ou sur des bchantillons en tours de dkantation [Z, 31. Dans le premier cas, il s’agit de boues de digesteur dont les tailles de particules sont comprises entre 100 et 4500 pm avec une moyenne de 600 pm. Dans le second cas, 1’8chantillon est photograph% i fort grossissement 5 travers les parois d’une colonne de d&antation_ Pour les boues activdes, les tailI& de fioc mesurGes font 60 pm et plus; -.- par solidification de la prdparation: soit en boFte de P&-i en prkence d’agar 5 3% sur un floe de culture pure [4 J. Les mesures microm&iques donnent des longueurs mddianes de 260 2 530 pm selon les conditions de croissance, soit par sCchage sur lame de l’khantillon [ 51. Les mesures sont effectuks sur des boues filamenteuses et reprkentent la longueur maximale de la corde parall~le 2 une direction don&e_ Les dimensions ainsi mesurges varient entre 20 et 200 pm, le plus souvent entre 30 et 90 pm; - au microscope [4]_ Ces mesures se font directement au microscope et sont relatives aux longueurs, largeurs et largeurs de protubkances d’un floe de culture pure_ Dans ces conditions, les longueurs vont de 385 Q 1150 pm et les largeurs de 100 B 260 pm. NtWodes indirectes et d&ennination d’une taiile Equivalente* Ces mesures sont effectuks dans les conditions suivantes: - par compteur Coulter qui foumit le diamb tre de la sphere ayant mGme volume que le floe”. Le diam%re moyen obtewq sur les boues a&iv&es est de 100 I.rrn [S]; - mesure de la surface spkifique. Les mesures prt%&dent.es ne tiennent pas compte de la forme des particules qui peut Ctre trk vari@e pour une taille don&e. C’est pourquoi Mueller 14) propose de calculer la surface spC*D’aprSa le principe rncme de la mesure, le diamCtre mesur6 est celul de la sphPre qui aurait mtme volume que l’ensemble des particules constituant le floe 2 l’exclusion du liquide interstitiel.
cifique (rapport de l’aire de la surface/volume du floe) dont la rkiproqae est une fonction dire&e du chemin diffusionnel. Pour cela, il suppose que les floes sont des surfaces planes et il calcule la surface specifique de la faGon suivante: A,=1
x
=s, ..v
s,=2S+*t I surface spkifique; A, h I fonction du chemin diftisionnel; s, I aire de la s-urface totale moyenne; @ I p6rimGtre moyen; s I aire de la surface projetie moyenne; E I epaisseur moyenne du floe; V : volume humide. 11 calcule ensuite le dianGtre spkifique sph& rique d, qui est le diam&e de la sphere qui possede la mOme surface spkifique que celle mesuree soit dS = 671. 11 trouve des valeurs de d, comprises entre 31 et 68 pm. - mesure du diami%re nominal. Mueller [4 J calcule le chemin diffusionnel maximal ou “diam&e nominal” en assimilant la forme des particuks & une sphike. Ce diamBtre nominal est determine P partir du volume humide moyen du floe qui correspond 5 v=
Pa-Pm (Pw.-
Pm)Pa
ss 57
t volume humide moyen; I masse volumique du ffoc set; : masse volumique du floe humide; I masse de solide en suspension par unit& de volume; N : nombre de floes par uniti de volume; PITI : masse volumique dk milieu. Les valeurs du diam&e nominal varient de 21 5 115 pm et l’auteur trouve un pourcentage moyen en eau de 80% dans les boues act&&s pour une masse volumique de 1,07 g/cm3; - mesure de la taille Qquivalente des cellules (bactkies, levures, actinomycbtes) ?I park des vitesses de d&ax&&ion et de la masse volumique humide [7]. Cette mCthode donne une bonne correlation entre les diambtres mesurk au microscope et ceux caJcul& B park de la vitesse de dkantation, ceci pour des cultures pures. Dans le cas de structures plus complexes telles que les boues a&iv&s, le probk me de la forme se pose et la methode donne V pa PW SS
141
de grandes variations de la taille 6quivalente pour des Cchantillons de mGme origine. Comme de telles methodes ne donnent pas entiGre satisfaction (mesure d’une distance diffusionnelle maximale ou applicables aux seules cultures pures) ce sont encore les mesures de tailles de floe par microscope ou photographics qui donnent les meilleurs r&ultats. La varGt& des methodes et la dispersion des rGs.ultats rendent compte de la difficult6 5 mesurer avec prkision ce param&re_ A la difficult& intrinscque de la mesure s’ajoute celle de dCfmir une moyenne reprkentative lorsque la forme des particules depend de leur dimension_ Masse volumique des particules D’autres auteurs se sont int&zis& H la teneur en eau des particules comme param& tre compEmentaire. Une des premiikes mithodes rencontrks [S] repose sur la dilatation des boues 5 basse tempkatureCette mCthode est basCe sur le fait que l’eau 1Ze ne gGle pas 5 des temperatures infkieures au point de congGlation de l’eau libre_ D’autres mOthodes s’appuient sur la relation de Stokes, qui lie la vitesse de decantation des particules B la masse volumique et g la taille prklablement determinCe [2,3,&g]. Comme la determination de la taille pose certains probGmes, les methodes les plus couramment rencontrks utilisent des solutions standard de masse volumique don&e_ Ce sont des solutions salines [I], de saccharose [lo] ou de bromure de potassium [11] par exemple. II est p&f&able d’utiliser des compo&s de grande masse molCculaire pour limiter les effets de transfert de matike 5 l’intkrieur des particules (d’autant plus grands que la particule est petite). La masse voiumique des particules est celle de la solution dans laquelle eiles restent en suspension (1’Cchantillon est place sous la surface de la solution pour gliminer les effets de tension superficielle). Le.5 r&ultats expCrin3entau.x montrent que, quelle que soit la methode retinue, la masse volumique des particules est fonction dkroissante de leur taille (Figs_ l-2,3). Influence de 1‘agiiation La dktermination de la taille des particules trouve principalement son int&St dans l%tude des phr5nomikzs de diffusion_ C’est. pourquoi de nombreux auteurs se sont penchb sur la
relation entre l’agitation et la taille des particules (et de li sur les ph&nomGnes de transfert) et de la rt5percussion sur la dkantabiliti des boues. L’agitation est en g&&al consider&e comme un moyen d’am&liorer les transferts de matikes par reduction des Gsistances esternes (diminution de la couche limite) et r&luction des rGstances intemes (cassage du floe)_ Les travaux effectuk dans ce domaine montrent que la taille est fonction dCcroisSante de la vitesse d’agitation [2,6,10,12, 14, E]. De plus, 5 une agitation don&e, il est possible de reprkenter la distribution des taiiles de particules soit par une distribution bimodale 112,131 le premier pit correspond aux particules Gmentaires qui vont de 0,s 2 5 flrn (ce qui inclut la plupart des bactkies), le second pit correspond aux particules ikod&es (Fig. 4). Dans le cas de la loi normale, les param&res de cette loi Cl43 qui ne concemerait que les particules &rod&s, sont fonction de la vitesse d’agitation considkge (Fig_ 5). Les etudes de l-agitation sur la masse volumique montreraient que celle-ci nkgit pas directement sur la masse volumique mais seulement sur la taille 13-10 ]_ Comme I’agitation interuient essent.iellement sur la taille des particules, selon le gradient de vitesse il y aura pr&dominance d’un des deux phkomkws: agregation ou cassage_ Certains auteurs reprkentent done [12, IS] le rendement global d’une installation 5 boues activks par une equation faisant appel aux vitesses de fioculation et de cassage du floe_
Fig. 1. Variation de la masse volumique du floe en fonction de sa taillez psz masse volumiqne du floe; p,,: masse rolumique de la liqueur m&e: floculation en pkence de Fe,(SO&; Fe:(SO,), = 2 x 10e5 mok/i ; XaHCOs = 2 X 1O-3 molsJ1; G = 11 fpsJft; T = 30 min; pH = 6.8; 2 = 3-O “C.
142 CONCLUSIONS
.zG
1
2
34
6
: 2346 diamStre du floe
1 [,ooz
23 ,
5
7
Fig. 2. Relation entre la taille du floe et sa masse volumique [2]; charge organique 0,8_ masse volvmique_ (s/m3)
; ? io-? .=, 6
I1 est evident que la quantification des caracteristiques du floe biologique pose un probleme de methodologie aux auteurs qui s’y sont attach&. Les tendances qui se degagent de la bibliographie sont les suivantes: - la variabilite des Ssultats obtenus en fonction de la methode utilisbe, preuve d’une comprehension tr&s incomplete des phCnom& nes en jeu; - la bonne adaptation des mdthodes optiques mais leur application longue et fastidieuse. Toutefois l’utilisation d’analyseurs d’images permettrait d’eviter ces inconv&rients; - l’insuffisance des seules caracteristiques dimensionnelles et l’int&Et de la determination d’autres parametres
10-3 ?
j 5 10-'.23J: dianetre du floe (cm)
Fig_ 3. Relation entre le log du diam~tre du floe et sa densite [3]_ REFERENCES particules/ml :2/f\
a
-2
1'
i
b
: .: D
diamStre
Fig. 4. Distribution
10
typique
1330
du floe
,_9
0 ‘j
.a
(=)
&s tailles de floc[l2,
133.
6
Fig. 5. Distribution de taille des floes de boues activies 1153; 1,100 rpm = x; 2,500 rpm = x; 3,1000 rpm = x; n(r)/x = nombre de floes de tail&e r pour une valeur donn& de x_
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