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Dégradation de composés traces organiques (CTO) au cours du traitement de boues urbaines par digestion anaérobie

30 decembre 2005 Paru dans le N°287 à la page 37 ( mots)
Rédigé par : Dominique PATUREAU, Éric TRABLY, Damien BATSTONE et 1 autres personnes

La présence de composés traces organiques toxiques (CTOs) dans les boues de stations d'épuration tels que les détergents, les hydrocarbures ou encore les résidus dérivés de plastiques (phthalates) est maintenant incontestable, et très souvent leur concentration est bien supérieure aux futures directives européennes, rendant alors ces boues impropres à l'épandage. Les objectifs de la présente étude ont été (i) d'évaluer le potentiel de dégradation des CTOs par des écosystèmes microbiens impliqués dans la stabilisation des boues et (ii) d'isoler les microorganismes responsables de cette dégradation. Pour cela, deux types de procédés ont été testés indépendamment: la digestion anaérobie et la digestion aérobie. Une réduction partielle, voire totale de ces composés a été observée. Les procédés aérobies se sont avérés être particulièrement performants. Néanmoins, la digestion anaérobie a montré un potentiel de dégradation significatif, et reste encore très largement utilisée pour la stabilisation des boues. C?est pourquoi nous nous sommes principalement intéressés aux microorganismes anaérobies dégradants les CTOs, ainsi qu'à l'augmentation in situ du potentiel de ces écosystèmes méthanogènes. En dépit de performances mitigées après addition d'isolats microbiens dans des systèmes continus de digestion de boues urbaines, des résultats très prometteurs ont été obtenus dans des conditions discontinues (batch). L?ensemble des résultats présentés dans cet article permet donc d'envisager dans un proche futur une réduction significative, voire totale des CTOs de manière biologique et sous conditions anaérobies avant relargage des boues dans le milieu naturel.

Les objectifs de la présente étude ont été (i) d’évaluer le potentiel de dégradation des CTOs par des écosystèmes microbiens impliqués dans la stabilisation des boues et (ii) d’isoler les micro-organismes responsables de cette dégradation. Pour cela, deux types de procédés ont été testés indépendamment : la digestion anaérobie et la digestion aérobie. Une réduction partielle, voire totale de ces composés a été observée. Les procédés aérobies se sont avérés être particulièrement performants. Néanmoins, la digestion anaérobie a montré un potentiel de dégradation très significatif, et reste un procédé très largement utilisé pour la stabilisation des boues. C’est pourquoi nous nous sommes principalement intéressés aux micro-organismes anaérobies dégradants les CTOs, ainsi qu’à l’augmentation in situ du potentiel de ces écosystèmes méthanogènes. En dépit de performances mitigées après addition d’isolats microbiens dans des systèmes continus de digestion de boues urbaines, des résultats très prometteurs ont été obtenus dans des conditions discontinues (batch). L’ensemble des résultats présentés dans cet article permet donc d’envisager dans un proche futur une réduction significative, voire totale des CTOs de manière biologique et sous conditions anaérobies avant relargage des boues dans le milieu naturel.

Issues du traitement des eaux usées dans les stations d’épuration, les boues d’assainissement constituent des déchets volumineux dont la composition est problématique : substances fermentescibles à fort pouvoir odorant, charge microbienne pathogène pouvant être élevée (bactéries, virus, parasites...) et nombreux composés toxiques (éléments traces métalliques, composés traces organiques).

LES CTOs dans les boues urbaines : problématique

Or, les quantités de boues produites en Europe et en France ne cessent d’augmenter du fait de l’implémentation de la Directive

[Photo : Observations microscopiques des isolats dégradants les PAEs (A, B et C). Coloration DAPI et visualisation sous microscope à fluorescence.]

91/271/EEC sur le traitement des Eaux Résiduaires Urbaines (ERU) : passant de 643 000 tonnes de matière sèche en 1992 à 980 000 t de boues en 2000 (Magoarou, 2000), la France devrait produire près de 1 100 000 t en 2005. Ces quantités croissantes posent de sérieux problèmes de gestion quant à leur élimination. Depuis juillet 2002, suite à l'arrêté de la mise en décharge des déchets non ultimes, seules deux solutions sont possibles en France : l'incinération et l’épandage agricole, ce dernier étant réglementé par l’arrêté du 8 janvier 1998. Les deux directives européennes Eau et Boue (91/271/EEC et 86/278/EEC) encouragent fortement au recyclage des boues sur sols agricoles. À l'heure actuelle, 37 % des boues européennes sont recyclées en agriculture avec des pays qui atteignent 60-70 % comme la France et le Danemark. Cette approche du recyclage semble être (i) raisonnable, les sols européens étant globalement appauvris en matières organiques du fait d’un usage intensif, (ii) moins coûteuse, l'incinération revenant 5 fois plus cher.

En raison de l'intérêt agronomique des boues (engrais organique), le recyclage agricole constitue donc une filière privilégiée. Cependant, l’épandage répété de boues peut altérer les qualités des terres agricoles et des récoltes. En effet, de nombreux éléments toxiques transitent via les systèmes de traitement des eaux et donc des boues, comme les agents pathogènes, les éléments traces métalliques et les composés traces organiques. Parmi ces derniers se trouvent des impuretés de préparations commerciales (dioxines), des composés couramment utilisés (détergents, solvants, pesticides, lessives, colles, peintures, produits pharmaceutiques), et des composés d’origines diverses qui se retrouvent dans le réseau d’assainissement via la récupération des eaux pluviales (hydrocarbures polycycliques aromatiques).

Un certain nombre de données sont actuellement disponibles pour :

  • l'abattement en pathogènes au cours du traitement des boues par compostage, digestion anaérobie ou chaulage (EU, 2001),
  • le devenir des ETM, qui ne font que traverser les systèmes et pour lesquels une politique de réduction à la source a été mise en place dans les années 80 entraînant une nette diminution des concentrations dans les boues (EU, 2001),
  • le dosage des CTOs en station d’épuration montrant en général une accumulation dans les boues (Feix et al., 1995 ; Lee et Peart, 1998).

Seules quelques rares études ont porté sur le comportement des CTOs au cours de procédés de traitement des boues (Potter et al., 1999 ; Trably et al., 2003). Leur devenir dans les sols ainsi que leur transfert via épandage à la chaîne alimentaire n’ont également été que brièvement étudiés (EU, 2001). C’est pour pallier à ce manque de données que divers projets nationaux (avec l’ADEME) et internationaux ont été initiés. Plus particulièrement, le projet européen BIOWASTE (QLK5-CT-2002-01138, www.biowaste.dk) vise à estimer le risque à utiliser des boues en épandage agricole au regard de la présence de CTOs. Pour cela, leur devenir a été étudié (i) au cours du traitement des boues.

Tableau 1 : Performances d’élimination des CTOs dans les réacteurs de digestion anaérobie et aérobie de boues urbaines contaminées (n.t. : non testé)

Concentration moyenne (µg/L) Digestion anaérobie (Contrôle / Biologique) Abattement digestion aérobie (Contrôle / Biologique)
HAPs
Fluorene 18 21 % / 54 % 45 % / 90 %
Phénanthrène 124 9 % / 54 % 20 % / 92 %
Anthracène 30 9 % / 53 % 26 % / 89 %
Fluoranthène 332 1 % / 46 % 6 % / 88 %
Pyrène 337 1 % / 47 % 2 % / 71 %
Benzo[a]anthracène 113 3 % / 44 % 5 % / 87 %
Chrysène 135 1 % / 41 % 8 % / 82 %
Benzo[b]fluoranthène 144 1 % / 41 % 18 % / 57 %
Benzo[k]fluoranthène 74 4 % / 39 % 19 % / 65 %
Benzo[a]pyrène 128 3 % / 39 % 2 % / 69 %
Dibenzo[a,h]anthracène 23 4 % / 42 % 2 % / 50 %
Benzo[g,h,i]pérylène 85 6 % / 42 % 19 % / 44 %
Indeno[1,2,3cd]pyrène 119 4 % / 40 % 14 % / 50 %
PAEs
Di-butyl Phthalate 10 000 21 % / 88 % n.t. / n.t.
Di-(2-Ethylhexyl) Phthalate 8 000 20 % / 89 % n.t. / n.t.
NPEs
NonylPhenols* 4 830 -1,7 % / 28 % 18 % / 39 %

* Les composés considérés sont les nonylphénol mono- et di-éthoxylates et le nonylphénol (NP).

par digestion anaérobie et aérobie, et (ii) dans les sols après épandage avec des expériences en laboratoire, en cases lysimétriques et en champs. Les composés modèles utilisés dans ce projet sont les dérivés de détergents (nonylphénol mono- et di-ethoxylés et nonylphénol -NPEs-), les hydrocarbures polycycliques aromatiques (HAPs) et les phtalates résidus dérivés des plastiques (PAEs).

Les études présentées ici portent sur le développement de procédés biologiques capables de réduire la quantité globale de CTOs et sur l’isolement de micro-organismes anaérobies dégradant ces CTOs. Si un potentiel de dégradation avait déjà été montré sous conditions aérobies et faiblement anaérobies (Coates et al., 1997 ; Sutherland et al., 1995 ; Wilson et Bouwer, 1997 ; Chang et al., 2005 ; Yuan et al., 2004), c’était essentiellement sur des systèmes hautement contaminés. Nos travaux ont été menés sur des boues faiblement et naturellement chargées en ces composés, afin d’être plus représentatifs de la réalité. Jusque-là, aucun micro-organisme anaérobie n’avait été identifié comme participant à la dégradation des PAEs, HAPs ou NPEs.

Matériel et méthodes

Au cours de cette étude, le devenir des CTOs a été déterminé avec des procédés de digestion anaérobie ou aérobie de boues mixtes urbaines naturellement contaminées et longuement adaptées aux CTOs d’intérêt. Ces études ont été menées en réacteurs biologiques continus infiniment mélangés sous condition standard de digestion (35 °C, temps de séjour de 40 jours (anaérobie) et 20 jours (aérobie), pour un volume utile de 5 litres). Le temps d’opération des réacteurs fut d’environ 80 jours en aérobiose et 160 jours en anaérobiose. Les performances d’élimination des CTOs pour chaque réacteur furent déterminées par bilan de matière à l'état d’équilibre. Les résultats obtenus sur réacteurs biologiques ont alors été comparés à ceux obtenus sur réacteurs témoins stérilisés chimiquement afin d’estimer les pertes abiotiques par volatilisation ou photodégradation. Ensuite, certains micro-organismes anaérobies ont été sélectionnés et isolés sur des boîtes de Pétri pour leur potentiel de dégradation des CTOs (PAEs, HAPs et NPEs). La méthode d’isolement ainsi que les techniques d'utilisation de ces micro-organismes font l'objet d’un brevet international déposé au Danemark n° PA-2005-00927.

Potentiel de dégradation des PAEs, HAPs et NPEs au cours de la digestion anaérobie

Pour la première fois sous conditions anaérobies méthanogènes, une élimination significative de l'ensemble des HAPs – du Fluorène à l’Indeno(123cd)Pyrène – fut mise en évidence (voir tableau 1). Un abattement de 40 à 50 % des HAPs totaux (µg/L) fut observé. Or, les performances de réduction en matières sèches (g MS/L) du procédé sont du même ordre de grandeur (49,6 %). Il en a été conclu que l’élimination biologique des HAPs sous conditions anaérobies est fortement limitée par des aspects de transfert de matière. Il est également intéressant de noter qu’après traitement, les quantités d'HAPs dans les réacteurs stériles sont plus importantes que dans la boue non traitée, suggérant un relargage de CTOs au cours du traitement et ainsi, une sous-estimation des performances biologiques de dégradation. Les aspects de transfert de masse et de biodisponibilité aux micro-organismes paraissent donc jouer un rôle prédominant. En augmentant la température de digestion à 55 °C, favorisant ainsi les transferts, il a été observé une amélioration significative du taux de dégradation des HAPs (Trably et al., 2003).

Dans le cas des PAEs, les performances de biodégradation sont bien plus élevées (~ 90 %), ces composés présentant des propriétés physico-chimiques d’adsorption aux solides plus faibles. Dans le cas des NPs, les performances de dégradation observées sont plus faibles sous conditions anaérobies. Toutefois, les NPs correspondent à des sous-produits de dégradation d'autres surfactants et peuvent donc s'accumuler transitoirement. En effet, il a été observé une disparition des NPs diethoxylés et monoethoxylés de respectivement 100 et 82 % mais avec production de NP. Mais ce dernier est globalement dégradé à hauteur de 28 %. Sous condition aérobie thermophile (65 °C), le bilan montre que 39 % des NPEs sont éliminés avec un abattement de la matière totale de 37 %. De même que pour les HAPs, le transfert de matière semble être

[Photo : Vitesse de dégradation du Di-Butyl-Phthalate pour les différents isolats microbiens et la boue adaptée.]
[Photo : Performances de dégradation du Di-Butyl-Phthalate en batch tests de bioaugmentation de boue anaérobie par les différents isolats microbiens seul ou en mixture (addition 5 % en volume).]

…rer les performances de réacteurs de digestion de boues anaérobies possédant un faible potentiel de dégradation.

Essai de bioaugmentation en réacteurs anaérobies (exemple des PAEs)

Dans un premier temps, des tests de bioaugmentation ont été réalisés en batch (fioles). Au bout de deux jours, l'ensemble des organismes utilisés a montré une faculté d’amélioration des performances des boues après addition de seulement 5 % d’inoculum bactérien (en volume) (voir figure 3).

[Photo : Figure 4 – Performances de dégradation des PAEs en réacteur continu de digestion après bioaugmentation par l'isolat B de boue anaérobie non adaptée.]

Le facteur limitant la dégradation des NPEs.

Dans tous les cas, les systèmes aérobies s'avèrent être bien plus performants avec près de 90 % d’élimination pour les plus petits HAPs et des performances au moins égales à celles observées sous conditions anaérobies. Il semblerait non seulement que l’activité biologique aérobie soit plus importante, mais également que les phénomènes de transfert soient favorisés par l’aération du système. En effet, les pertes abiotiques par volatilisation sont relativement importantes pour les plus petits HAPs. Bien que plus coûteux en énergie, les systèmes aérobies paraissent donc une bonne alternative pour un abattement efficace des CTOs dans les boues.

Des études complémentaires réalisées au sein de notre laboratoire ont même permis de montrer que des valeurs inférieures au seuil réglementaire pour l’épandage des boues pouvaient être atteintes (voir Trably et al., 2005). Sous conditions anaérobies, en dépit des PAEs qui sont facilement dégradés, la plupart des CTOs ont tendance à persister. Ainsi, afin d’améliorer les performances d’élimination des systèmes anaérobies qui restent bien plus largement utilisés, nous nous sommes particulièrement intéressés par la suite sur les micro-organismes anaérobies dégradant les CTOs.

Isolement de micro-organismes anaérobies dégradant les PAE, HAPs et NPs

Pour la première fois, plusieurs micro-organismes dégradants les CTOs ont été isolés sous conditions anaérobies, ceci en choisissant une molécule par famille étudiée : soit trois isolats sur dibutylphthalate (famille PAEs), six sur fluoranthene (famille HAPs) et six sur 4-nonyl-phenol (famille NPs). L'ensemble des isolats possèdent la particularité de dégrader très efficacement les autres composés de la même famille, comme le DEHP (PAEs), le benzo(a)pyrene (HAPs) ou les isomères de nonyl-phenol (NPs).

Dans le cas des trois isolats PAEs (figure 1), ces derniers furent entièrement caractérisés de manière phylogénétique, physiologique et phénologique, et sont désormais parfaitement connus. Notons que des résultats similaires ont été obtenus pour les isolats NPs et HAPs (données non présentées ici). Les bactéries dégradantes les PAEs appartiennent toutes à la famille des Bacillaceae et possèdent la particularité d’être anaérobies facultatives, c’est-à-dire de croître efficacement sous conditions aérobies et anaérobies. Leurs propriétés physiologiques ouvrent d’intéressantes perspectives quant à la possibilité de produire des quantités importantes de biomasse en aérobiose pour une utilisation en anaérobiose où le rendement de biomasse est bien plus faible. De plus, leurs performances d’élimination des PAEs sous conditions anaérobies sont particulièrement intéressantes (voir figure 2). Des outils moléculaires de suivi in situ par hybridation fluorescente (FISH) ont par ailleurs été développés pour permettre un suivi précis du devenir de ces micro-organismes en milieu complexe. Ces isolats représentent donc de parfaits candidats pour des essais de bioaugmentation en vue d’amélioration des performances de réacteurs de digestion de boues anaérobies possédant un faible potentiel de dégradation.

Ces résultats étant très prometteurs, des…

[Photo : Figure 5 – Observations sous microscope à fluorescence : hybridation in situ de sondes fluorescentes (FISH) de l’isolat B dégradant les PAEs, un jour avant bioaugmentation (5a), le jour de bioaugmentation (5b) et après 1 jour de fonctionnement (5c) pour le système continu. En jaune orangé, les bactéries d’intérêt (isolat B), en vert les autres micro-organismes (Eubactéries).]

essais furent ensuite réalisés en système continu simulant les conditions réelles d'un digesteur anaérobie. Dans ce cas, les perfor- mances de dégradation du réacteur anaéro- bie n’ont pas montré d’amélioration particu- lière (voir figure 4). Il en a été conclu que l’essai de bioaugmentation n’avait pas fonc- tionné.

Un suivi des micro-organismes par fluores- cence in situ a montré une disparition de l'ensemble des micro-organismes d'intérêt dans le jour suivant leur addition (voir figure 5). Il semblerait donc qu’un phéno- mène actif se produise, les aspects hydrau- liques du réacteur continu ne pouvant expli- quer un lessivage aussi rapide de ces micro- organismes. La prédation par des proto- zoaires pourrait être à l’origine d’une telle disparition, les aspects de survie étant vrai- semblablement primordiaux dans de tels systèmes (Boon et al., 2000).

Conclusion

Cette étude a permis de montrer pour la pre- mière fois les potentialités des systèmes bio- logiques impliqués dans le traitement des boues pour dégrader des CTOs.

Certes la digestion anaérobie est peu favo- rable à de l’élimination des CTOs, néan- moins elle possède un potentiel de dégrada- tion significatif et prometteur. Selon notre expérience, les systèmes biologiques ne sont pas égaux face aux contaminations en CTOs, et plus spécialement sous conditions anaérobies. Il semblerait donc particuliè- rement intéressant de pouvoir améliorer les performances de dégradation de manière simple sans changer la conformation des systèmes de stabilisation en fonctionne- ment. Pour cela, la bioaugmentation par des micro-organismes performants peut consti- tuer une solution adaptée.

Dans cette étude, des résultats prometteurs ont été obtenus dans cette voie, mais l'intro- duction de nouveaux micro-organismes dans les boues reste à être améliorée pour permettre une utilisation à plus large échelle de ce potentiel de dégradation biologique.

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