Ce travail a porté d'une part sur l'étude de la qualité physico-chimique et bactériologique d'un effluent d'une industrie laitière située dans la ville d'El Jadida (Maroc), et d'autre part sur l'élimination simultanée de la matière organique et des nitrates contenus dans cet effluent par le biais de la dénitrification biologique endogène. Ces essais ont été menés en batch dans des flacons en présence d'une microflore hétérotrophe dénitrifiante sélectionnée au laboratoire. Les résultats obtenus montrent que la dénitrification biologique endogène passe par la formation des nitrites qui sont consommés par la suite. D?autre part l'utilisation de l'oxygène des nitrates par les bactéries dénitrifiantes est couplée à la réduction de la matière organique présente dans l'eau usée exprimée en termes de DCO qui dépend du rapport massique (DCO/N-NO3). Le meilleur résultat correspond à un taux d'abattement de la DCO de 82 % pour un rapport DCO/N-NO3- = 7.
Les résultats obtenus montrent que la dénitrification biologique endogène passe par la formation des nitrites qui sont consommés par la suite. D’autre part l’utilisation de l’oxygène des nitrates par les bactéries dénitrifiantes est couplée à la réduction de la matière organique présente dans l’eau usée exprimée en termes de DCO qui dépend du rapport massique (DCO/N-NO₃). Le meilleur résultat correspond à un taux d’abattement de la DCO de 82 % pour un rapport DCO/N-NO₃ = 7.
La dénitrification biologique hétérotrophe découverte vers la fin du 19ᵉ siècle (Garcia J. L, 1975) se définit comme étant une réduction dissimilatrice des nitrates par certaines espèces de bactéries dénitrifiantes hétérotrophes, en présence d'une molécule organique qui, elle, subit une oxydation.
L’application de la dénitrification hétérotrophe aux eaux usées aboutit à la réduction des nitrates et des nitrites par des bactéries dénitrifiantes utilisant les matières carbonées présentes initialement dans ces eaux ou provenant d’un apport extérieur.
De nombreuses études de dénitrification biologique des eaux usées chargées en nitrates ont été effectuées en utilisant des substrats carbonés exogènes tels que les sucres, les alcools et les acides organiques (Mc Carty P. L. et al, 1969 ; Akunna J.-C. et al, 1993 ; Paccard E., 1995 ; Lee N.M. et Welander T., 1996). Cependant le coût de la source de carbone à fournir constitue un inconvénient. Ainsi ces dernières années, il y a tendance à opter pour le traitement des eaux usées riches en nitrates et en matière organique
Mots clés : Effluent laitier - Pollution - Dénitrification biologique - Rapport DCO/N-NO₃.
biodégradable par biodénitrification sans aucun apport extérieur (Kuroda M. et al., 1988 et 1997; Acitores M. et al., 1991; Bernet N. et al., 1996; Zayed G. et Winter J., 1998).
Dans le présent article, nous avons étudié la faisabilité de la dénitrification biologique endogène d'un effluent de laiterie située dans la ville d’El Jadida (Maroc) dont les caractéristiques physico-chimiques et microbiologiques ont été suivies durant un cycle annuel complet (de mars 1998 à février 1999). Ce rejet liquide contient des nitrates et est très riche en matière organique biodégradable. Les performances d'une microflore hétérotrophe dénitrifiante, sélectionnée et adaptée à se développer sur ce type de rejet, ont été évaluées en termes de réduction des teneurs en matière organique (DCO).
Matériel et méthodes
Origine des échantillons
Les échantillons d'eau usée laitière ont été prélevés pendant une période de 12 mois allant de mars 1998 à février 1999 à raison d'un cycle de 24 heures par mois, à partir du collecteur principal recevant le rejet liquide global de l’unité laitière d’El Jadida. Ces échantillons ont été mis dans des flacons, conservés à 4 °C et transportés au laboratoire pour être analysés.
Matériel biologique
Les bactéries dénitrifiantes ont été isolées à partir des sédiments d’eau usée laitière et sélectionnées pour leurs pouvoirs dénitrifiant et de dégradation de la matière organique biodégradable, par culture d’enrichissement sur le milieu de culture liquide utilisé par Blecon G. (1985) modifié par addition de glucose, de KNO3 et de KH2PO4. Ce milieu contient, en grammes par litre : bacto-tryptone, 10; extrait de viande, 5; glucose, 2; NaCl, 5; KNO3, 1; KH2PO4, 0,5 et eau distillée, 1000 ml. Le pH de ce milieu est ajusté à 7,2 ± 0,2.
Technique d’ensemencement, de sélection et d’adaptation des bactéries
L’enrichissement du milieu liquide consiste à ensemencer une série de tubes à essais contenant 25 ml de milieu de culture avec les bactéries déjà isolées à raison de 10 % (v/v). Ces tubes sont fermés hermétiquement et mis en incubation dans des jarres anaérobies à 30 °C. Une fois la majorité des nitrates consommée, une nouvelle série de tubes à essais est ensemencée avec 2,5 ml des cultures obtenues. Cette opération de repiquage a été répétée cinq fois et le dernier repiquage constitue l'inoculum riche en bactéries dénitrifiantes. Ces dernières ont été adaptées à se développer dans l’eau usée laitière.
Tableau I : Qualité physico-chimique et bactériologique de l’effluent laitier brut pendant la période de haute lactation
| pH |
|---|
| DCO (mg d'O2/l) |
| DBO5 (mg d'O2/l) |
| N-NTK (mg/l) |
| N-NO3 (mg/l) |
| P-Pt (mg/l) |
| FMAT (10⁴ UFC/ml) |
| C.F (10⁴ UFC/ml) |
| S.F (10⁴ UFC/ml) |
Val. Moy. : Valeur moyenne au cours du cycle de 24 heures Gam. Vari. : Gamme de variation pendant le même cycle de 24 heures UFC : Unité formant colonie DCO : Demande chimique en oxygène DBO5 : Demande biochimique en oxygène Pt : Phosphore total
de l'unité laitière par passage progressif à partir d'un milieu contenant plus de milieu de culture (22,5 ml) et moins d’eau usée (2,5 ml) vers un milieu où l'eau usée est majoritaire. Le dernier passage est effectué dans l'eau usée seule.
Suivi de la dénitrification biologique de l’eau usée laitière
L'eau usée à traiter par biodénitrification a été prélevée directement du collecteur principal recevant l'effluent laitier global. Le tableau III résume les principales caractéristiques de cette eau. Les essais de dénitrification biologique endogène ont été menés à pH neutre, à une température de 30 °C et en anaérobiose.
Les rapports massiques (DCO/N-NO₃) ont été ramenés à 3, 5 et 7 par ajout de KNO₃ à l'eau usée et l'ensemencement a été réalisé à l'aide d'une suspension bactérienne de D. O (620 nm) = 0,9.
Le suivi de la dénitrification biologique est assuré par la mesure des teneurs en nitrates, en nitrites et de la demande chimique en oxygène.
Paramètres et méthodes analytiques
Les analyses physico-chimiques de l’effluent laitier brut et dénitrifié ont été effectuées selon les méthodes décrites dans la norme AFNOR (1986). Ces analyses ont porté sur les paramètres suivants : température, pH, DCO, DBO₅, NTK, NO₃⁻ et Pt.
Les analyses bactériologiques ont comporté la numération de la flore mésophile aérobie totale (FMAT) sur milieu PCA, des streptocoques fécaux (S. F) sur milieu de Slanetz et Bartly et le dénombrement des coliformes fécaux (C. F) par la méthode NPP (Nombre le plus probable) après culture sur milieu BLBVB (Bouillon lactosé bilie au vert brillant) et incubation à 44,5 °C.
Résultats et discussion
Qualité physico-chimique et bactériologique de l’effluent laitier global brut
Les caractéristiques physico-chimiques et bactériologiques de l’effluent laitier global brut sont présentées dans les tableaux I et II. À la lumière de ces résultats, on note que ce rejet liquide présente des variations importantes au cours de la même journée pour la température, le pH et la charge polluante ; de plus il se caractérise par une forte concentration en matière organique, en azote, en phosphore et en microorganismes. Le seul problème qui peut se poser est le pH qui varie dans une gamme très large suite au lavage à l'acide nitrique ou à la soude, c’est pourquoi nous avons ajusté ce paramètre lors des essais de dénitrification à pH 7.
Tableau II : Qualité physico-chimique et bactériologique de l’effluent laitier brut pendant la période de basse lactation
| DCO (mg O₂/l) |
| DBO₅ (mg O₂/l) |
| NTK (mg/l) |
| N-NO₃ (mg/l) |
| P-Pt (mg/l) |
| FMAT (10⁴ UFC/ml) |
| C. F (10² UFC/ml) |
| S. F (10² UFC/ml) |
Val. Moy. : Valeur moyenne au cours du cycle de 24 heures
Gam. Vari. : Gamme de variation pendant le même cycle de 24 heures
UFC : Unité formant colonie
DCO : Demande chimique en oxygène
DBO₅ : Demande biochimique en oxygène
Pt : Phosphore total
Durant la période de haute lactation, la charge organique est en moyenne de 6375 mg d’O₂/l pour la DCO et 3197 mg d’O₂/l pour la DBO₅, ces concentrations sont très élevées. La DCO la plus basse est enregistrée au mois d’août, elle est de 400 mg d’O₂/l ; la plus élevée a été révélée au même mois et correspond à 60000 mg d’O₂/l, ce paramètre est donc très variable au cours d'un même cycle de 24 heures. Ce qui est dit pour la DCO est valable pour la DBO₅, l'azote et le phosphore qui subissent la même évolution. La période de basse lactation connaît une baisse des teneurs en matière organique sauf pendant les deux mois qui suivent et précèdent la période de haute lactation (septembre et février). Le rapport annuel moyen DCO/DBO₅ est d’environ 1,8 ; ce qui indique le caractère biodégradable de cet effluent (Guyot, 1988). Le rapport massique annuel moyen DBO₅/N/P est de 100 / 4,8 / 1,3 ; ce qui permet d’envisager un traitement biologique anaérobie de ces eaux usées sans ajout d’éléments nutritifs (Kestra et Eggers, 1986).
La numération de la flore mésophile aérobie totale nous renseigne sur la richesse microbienne globale de l'eau usée étudiée. Les valeurs moyennes de la FMAT sont respectivement 890,61 × 10³ UFC/ml et 2681,31 × 10³ UFC/ml pour la période de haute et de basse lactation ; ces valeurs sont nettement supérieures à celles des C.F et S.F.
Durant la période de haute lactation, la charge bactérienne varie de 0 à 21 × 10³ UFC/ml et de 0 à 35 × 10³ UFC/ml respectivement pour les C.F et les S.F avec une moyenne de 1,9 × 10³ UFC/ml pour les C.F et 3,9 × 10³ UFC/ml pour les S.F. Par contre, lors de la période de basse lactation, cette charge moyenne est de 2,04 × 10³ UFC/ml pour les C.F et de 4,03 × 10³ UFC/ml pour les S.F. Ces résultats montrent que l'eau usée laitière analysée présente une contamination fécale importante.
Les charges bactériennes les plus élevées sont enregistrées dans les échantillons à pH voisin de la neutralité ; par contre, pour des valeurs de pH acide ou basique, ces charges sont très faibles ou nulles (voir tableaux I et II). D’autre part le rapport C.F/S.F est inférieur à 1, ce qui témoigne d’une contamination fécale d’origine animale de l’effluent étudié (Borrego J.J. et Romer P., 1982).
Essais de dénitrification
D’après les tableaux I, II et III on constate que la dénitrification biologique endogène de l'eau usée laitière est possible par la présence de nitrates et d'une fraction importante de matières organiques biodégradables (voir rapport DCO/DBO₅). La teneur en phosphore est suffisante pour le développement des bactéries. Cependant, le seul problème qui se pose est la variation du pH qui devient parfois acide ou basique suite au lavage à l'acide nitrique ou à la soude. Le pH de l'eau usée soumise aux essais de dénitrification, qui est de 8,6, a été ajusté à pH 7.
Élimination de la matière organique
L'incubation de l’eau usée de l’unité de transformation du lait ensemencée par les bactéries dénitrifiantes a entraîné une baisse de la matière organique exprimée en termes de DCO quel que soit le rapport massique DCO/N-NO₃ (Figure 1).
Par rapport au témoin (eau usée non ensemencée par les bactéries dénitrifiantes) où la DCO est passée de 20000 mg/l à 18000 mg/l, puis s'est stabilisée après le 10ᵉ jour d'incubation, nous avons constaté qu’après 18 jours, la DCO est passée, respectivement pour les rapports massiques (DCO/N-NO₃) de 3, 5 et 7, de 20000 mg d’O₂/l à 6200, 4920 et 3565 mg d’O₂/l, ce qui représente environ 69, 75,4 et 82 % de la DCO initiale. Donc l'enrichissement adéquat de l'eau usée de l'unité laitière par les nitrates, en présence de bactéries dénitrifiantes, favorise de façon appréciable la réduction des teneurs en matière organique biodégradable présente dans cette eau usée.
Évolution des teneurs en nitrates et en nitrites
D’après la figure 2, nous avons noté une chute importante des teneurs en nitrates pour les rapports massiques (DCO/N-NO₃) de 5 et 7. Par contre, pour le rapport (DCO/N-NO₃) = 3, on observe une teneur résiduelle importante après le 14ᵉ jour d'incubation. Ces résultats correspondent à un pourcentage d’élimination des nitrates de l'ordre de 58, 75 et 95 % respectivement pour les rapports massiques (DCO/N-NO₃) de 3, 5 et 7. Ceci montre que les bactéries dénitrifiantes sont plus actives surtout pour le rapport 7. Cette activité pourrait être liée.
Tableau III : Caractéristiques physico-chimiques de l'eau usée laitière soumise aux essais de dénitrification biologique
| Paramètres | T (°C) | pH | DCO (mg d’O₂/l) | DBO₅ (mg d’O₂/l) | N-NO₃ (mg/l) | P-PT (mg/l) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Valeurs | 29 | 8,6 | 20000 | 17238 | 56 | 218 |
Au substrat carboné présent dans l'eau usée qui est facilement biodégradable.
La chute des teneurs en nitrates est accompagnée d’une production excessive de nitrites qui sont consommés par la suite (figure 3). Cette consommation reste incomplète, ce qui pourrait être à l'origine de l'inhibition du processus de dénitrification suite à l'accumulation des nitrites. On note que plus le rapport (DCO/N-NO₃) est petit, plus la production des nitrites est importante, plus le pourcentage d’élimination de la DCO est faible.
Conclusion
Dans cette étude, les résultats de la caractérisation montrent que le rejet liquide laitier global est très chargé en matière organique, en azote et en microorganismes, ce qui pourrait engendrer des nuisances pour le milieu récepteur. Le traitement anaérobie de ces eaux par biodénitrification en présence d'une microflore hétérotrophe dénitrifiante permet des efficacités d’abattement de la DCO de 82 % et des nitrates de 95 % pour un rapport DCO/N-NO₃ = 7.
Ces résultats montrent que le traitement par biodénitrification est réalisable pour ce type d'effluent. Vu l'alternance des rejets acides et basiques pour le rejet liquide global, un bassin tampon d’homogénéisation permet d’éviter les corrections du pH lors du traitement.
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