Nitrifying biofilms at cold temperatures: kinetics and in-situ characterization

The biological process of nitrification is currently the most economical and commonly employed means of removing ammonia from wastewater. Although nitrification is cost-effective and has been used in many treatment facilities in North America, the temperature sensitivity of suspended growth nitrifying bacteria is of considerable concern when designing wastewater treatment facilities in many North American cities. Notwithstanding the limited ability of suspended growth treatment systems to achieve nitrification at low temperature, there is evidence that attached growth nitrification processes have the potential to consistently achieve ammonia removal at low temperatures. The objective of this dissertation is to investigate the effect of prolonged exposure to cold temperatures on the kinetics of attached growth nitrification in wastewater treatment facilities as well as the subsequent consequences on the nitrifying bacterial community. Methodological techniques to characterize the weight, nitrogen content and volume of the biofilm along with the volume of nitrifying biomass were developed that minimize loss of mass and manipulation of the biofilm samples. Subsequently, laboratory experiments were performed on attached growth nitrifiers at 4°C. In addition, field experiments were conducted on attached growth laboratory-scale and pilot-scale treatment systems at 4°C. The laboratory experiments demonstrated significant rates of attached growth nitrification at 4°C for the approximate span of a cold climate, North American winter. Specifically, significant nitrification rates were confirmed after 115 days at 4°C. A pronounced kinetic reduction of the rate of nitrificatiÀ présent, le processus biologique de nitrification est le moyen le plus économique d'enlever l'ammoniaque des eaux usées. Bien que cette méthode soit utilisée dans des installations de traitement à travers l'Amérique du Nord, la sensibilité des bactéries à la température est problématique pour la conception de certaines nouvelles installations. Même si les bactéries ont une plus faible capacité de nitrification à basse température, la recherche suggère que cette méthode pourrait enlever l'ammoniaque systématiquement même à basse température. L'objectif de cette thèse était d'investiguer l'effet d'une exposition prolongée à de basses températures sur la cinétique de nitrification de bactéries fixées dans une installation de traitement, ainsi que les effets subséquents sur la communauté de bactéries. Des techniques méthodologiques pour caractériser le poids, la teneur en azote, le volume de biofilm ainsi que le volume de bactéries nitrifiantes ont été développées qui minimisent la perte de masse et la manipulation des prélèvements de biofilm. Ensuite, des expériences ont été effectuées avec une biomasse nitrifiante fixée à 4°C. De plus, des expériences de terrain ont été accomplies avec des bactéries fixées à 4°C avec des unités pilote et de laboratoire. Les expériences ont démontré des taux significatifs de croissance des bactéries fixées et de nitrification à 4°C pendant une durée correspondant à un hiver froid nord-américain. En particulier, des taux significatifs de nitrification ont été confirmés après 115 jours à 4°C. Le taux a baissé immédiatement après la période d'acclimatation et aprè