Les eaux résiduaires provenant des industries agro-alimentaires présentent généralement de fortes concentrations en pollutions organiques (de quelques grammes à 100 g/l en DCO) ou minérales nuisibles pour l’environnement mais potentiellement valorisables. La digestion anaérobie, qui diminue la pollution carbonée de ces effluents, permet ainsi la production de biogaz riche en méthane (70 à 80 %).
En dehors de cette valorisation directe par méthanisation, certains de ces effluents sont concentrés avant d’être vendus comme fertilisants, aliments pour bétail ou substrats de fermentation dans l’industrie biotechnologique.
Depuis quelques années, certaines industries se sont intéressées à l’utilisation de ces rejets comme substrat carboné pour la production de protéines d’organismes unicellulaires* (bactéries ou levures) :
- – en Inde et au Brésil à partir de vinasse de distillerie de canne à sucre ;
- – en Roumanie et en Tchécoslovaquie à partir d’effluent de papeterie ;
- – en France à partir de lactosérum (Société Bel) et à partir d’effluents de choucrouterie (Société Christ).
Ces procédés, coûteux à mettre en œuvre, ne sont intéressants que pour de grosses installations susceptibles de produire des tonnages importants de protéines.
Parallèlement à cet aspect tourné vers la production de P.O.U., l’utilisation de micro-organismes, tels que les levures, capables de croître sur des substrats variés et concentrés avec une grande vitesse spécifique, peut permettre la mise au point de procédés intensifs de traitement d’effluents industriels concentrés. En effet, les procédés d’épuration traditionnels (boues activées, lits bactériens, disques biologiques) possèdent de nombreux avantages (simplicité, bonne résistance aux composés toxiques, grande adaptation aux variations de concentration et de débits), mais ne sont performants que pour des charges volumiques appliquées inférieures à 5 kg DBO5/j·m³.
La société japonaise Ajinomoto traite les effluents provenant d’une usine de production d’acides aminés en utilisant des levures (High Rate Biological Process) ; la DBO5 est réduite de 90 % et le volume de l’installation, comparé à la méthanisation par contact anaérobie, est diminué de 50 fois.
Les levures utilisées dans ces procédés doivent être capables :
- – de réduire la DCO de 60 à 80 % (ou la DBO5 à 80 %),
- – de croître avec une grande vitesse spécifique de consommation du substrat, en minimisant les temps de séjour en culture continue,
- – de résister aux contaminations bactériennes lors de leur utilisation en conditions non stériles.
Nous présentons ci-après les résultats obtenus en utilisant une association de levures, en conditions non-axéniques, sur trois effluents différents :
- – effluent synthétique protéique,
- – vinasse de mélasse de distillerie de betterave,
- – saumure provenant d’une confiserie.
MATÉRIEL ET MÉTHODES
Souches
Une étude bibliographique et des essais préliminaires en culture discontinue sur différents effluents agro-alimentaires nous ont permis de retenir une quinzaine de souches de levures provenant d’une collection (CBS, Baarn, Hollande). Leur association permet d’obtenir un levain capable de croître sur différents substrats et d’amorcer l’épuration carbonée d’un effluent concentré.
Composition des effluents
La composition organique et minérale des différents effluents bruts utilisés est indiquée dans le tableau 1.
Tableau 1 – Composition organique et minérale des effluents bruts
| Viandox | Vinasses | Saumures | |
|---|---|---|---|
| DCO (g/l) | 317 | 1580 | 92 |
| DBO5 (g/l) | 188 | 102,8 | 45 |
| COT (g/l) | 115 | 75,2 | 32 |
| MES (g/l) | 10 | 25,30 | — |
| N-NTK (g/l) | 30,6 | 60,2 | 0,60 |
| N-NH4 (g/l) | 4,25 | 0,24 | 0,05 |
| P total (g/l) | 1,27 | 0,074 | 0,12 |
| Sucres totaux (g/l) | 5 | 26,0 | 20 |
| Sucres réducteurs (g/l) | — | 18,3 | 16,5 |
| Glucose (g/l) | — | — | 85 |
| Fructose (g/l) | — | 3 | 61 |
| Acide acétique (g/l) | — | 5,6 | — |
| Acide lactique (g/l) | — | 7,0 | — |
| Protéines (g/l) | 0,65 | — | — |
| Glycérol (g/l) | — | 6,9 | — |
| Benzaldéhyde (g/l) | 2 | — | 0,01 |
| K⁺ (g/l) | 5,8 | 21,5 | 1,2 |
| Na⁺ (g/l) | 85 | 1,5 | 0,2 |
| Cl⁻ (g/l) | 102 | 3,6 | — |
| SO₄²⁻ (g/l) | — | 6–8 | 20 |
* P.O.U. : protéines d’organismes unicellulaires.
L’élimination du carbone organique de ces effluents nécessite la présence d’azote et de phosphore dans le milieu : les proportions DBO5/N/P admises pour des boues activées sont dans le rapport 100/5/1. D’après le tableau 1 les vinasses de mélasse et l’effluent de confiserie présentent des carences en azote, ou azote et phosphore ; l’addition de NH4Cl ou NH4Cl + (NH4)3PO4 permet d’équilibrer ces milieux avant dégradation aérobie.
Pour réduire les problèmes de moussage lors de la fermentation, un antimousse (Rhodorsyl R236 ou Sophos Biospunex 30) est ajouté au milieu lors de sa dilution.
Lors des cultures continues, ces effluents bruts sont dilués dans des proportions voisines de celles obtenues par les eaux de procédé au niveau de l’usine. Ils sont stérilisés à l’autoclave, 30 min à 110 °C afin d’éviter leur dégradation avant d’alimenter le réacteur.
Conditions de culture
Les cultures continues ou discontinues sur ces trois effluents sont réalisées dans des fermenteurs Biolafitte de 6 l (4 l de volume utile) équipés d’un draft tube. La température est maintenue à 30 °C, l’aération à 0,5 VVM tandis que l’agitation varie de 700 à 1 000 rpm selon les besoins en oxygène des cellules. Le pH est fixé à 4,5 et régulé par l’ajout de NaOH 5 M ou H2SO4 5 M (HCl 5 M pour effluent de confiserie). Le réacteur est ensemencé à 10 % par un inoculum composé d’une association de levures (quantités biomasse équivalentes).
Les cultures continues se déroulent dans des conditions non axéniques. Les changements de charge volumique appliquée sont effectués après des périodes de quinze jours de stabilité du réacteur.
Suivi des fermentations
Lors des cultures discontinues, un échantillon est recueilli toutes les heures afin de déterminer différents paramètres analytiques. Le déroulement des cultures continues est suivi chaque jour par un prélèvement au niveau de l’alimentation en substrat du réacteur et deux autres (matin-soir) à la sortie de celui-ci (mesures DCO, biomasse, débits d’alimentation).
Méthodes d’analyses
Le dosage de la DCO est effectué en accord avec la norme française AFNOR T90-103. La concentration en COT est mesurée sur un Tocamaster 915-B (Beckman) et le poids sec est obtenu par filtration sur membrane Millipore 0,22 µm ou par centrifugation et séchage vingt-quatre heures à 110 °C dans une étuve.
RESULTATS
Effluent synthétique protéique
Les résultats obtenus par la société japonaise Ajinomoto sur ces effluents nous semblant intéressants, nous avons entrepris une étude de biodégradabilité d’un effluent concentré par des levures. Pour des raisons pratiques, nous avons utilisé un milieu synthétique, riche en acides aminés (extrait de viande) et présentant une grande concentration en éléments minéraux : le Viandox (cf. tableau 1), dilué 11,5 fois afin d’obtenir une concentration en COT proche de 10 g/l (27,6 g/l en DCO).
Des cultures discontinues des différentes souches de levure, isolées ou associées, ont montré une élimination de 80 % de la DCO avec une vitesse spécifique de croissance allant jusqu’à 0,3 h⁻¹.
Des cultures continues ont été effectuées avec des associations de trois souches performantes ou une association de quinze souches sélectionnées. La croissance de l’association de quinze souches est beaucoup plus rapide (µ max = 0,3 h⁻¹ au lieu de 0,17 h⁻¹), le rendement d’élimination de la DCO restant identique.
Tableau 2 — Résultat d’une culture continue des levures sur milieu Viandox dilué 11,5 fois
| Charge volumique (kg DCO · j⁻¹ · m⁻³) | Temps de séjour hydraulique (h) | DCO éliminé (%) | Production biomasse (kg · j⁻¹ · m⁻³) |
|---|---|---|---|
| 11 | 60,3 | 74,5 | 4,7 |
| 19,4 | 39,45 | 76 | 8,4 |
| 25,9 | 25,51 | 83 | 10,2 |
| 32,3 | 20,51 | 86,8 | 11,4 |
| 39,7 | 16,67 | 87,4 | 17,5 |
| 53 | 12,5 | 83 | – |
Les résultats obtenus avec différentes charges volumiques appliquées au réacteur sont indiqués dans le tableau 2. On y remarque que les rendements d’élimination de la DCO augmentent légèrement avec des charges volumiques importantes. Le rapport biomasse produite/DCO éliminée est voisin de 0,5 kg/kg.
Cette culture en continu nous a permis de sélectionner, parmi les quinze souches introduites au départ, une qui soit résistante aux variations de charges (variations de débit, arrêt d’alimentation) ; elle est associée à un écosystème bactérien. Le nombre de bactéries est dix fois supérieur au nombre de levures. Néanmoins, un écosystème bactérien (boues activées) repiqué plusieurs fois sur cet effluent n’a pu éliminer que 40 % de la DCO avec une faible vitesse de croissance spécifique.
Ces résultats encourageants — 83 % d’élimination de la DCO avec une charge volumique appliquée au réacteur de 53 kg DCO · j⁻¹ · m⁻³ — nous ont incités à poursuivre des études sur deux effluents industriels, la vinasse de mélasse de betterave et les saumures d’une confiserie.
Vinasse de mélasse de betterave
Les vinasses de mélasse sont obtenues après fermentation alcoolique et sont concentrées sur des échangeurs à plaques (jusqu’à 550-650 g/l DCO) avant d’être revendues. Le coût énergétique de ce procédé reste élevé et d’autres procédés de valorisation sont actuellement recherchés. Le traitement, aérobie ou anaérobie, de ces vinasses est difficile car ces effluents contiennent de grandes concentrations en sels, notamment de potassium (voir tableau 1).
Nous avons d’abord étudié, en cultures discontinues, l’élimination du carbone des vinasses de mélasse par
Tableau 3. – Influence de la concentration des vinasses de mélasses sur la croissance des levures (cultures discontinues)
| Substrat (g·l⁻¹) | DCO (g·l⁻¹) | Rend. épuration DCO (%) | μ (h⁻¹) | Biomasse (g·l⁻¹) |
|---|---|---|---|---|
| 74,5 | 19,2 | 74,2 | 0,228 | 28,9 |
| 50,5 | 9,53 | 73,8 | 0,246 | 20,2 |
| 33,6 | 5,85 | 75,0 | 0,265 | 13,8 |
| * | – | – | 0,315 | – |
| 27,0 | 6,23 | 76,9 | 0,25 | 10,2 |
| – | – | – | 0,30 | – |
| 16,5 | 3,45 | 79,1 | 0,316 | 6,6 |
| 12,8 | 2,68 | 74,9 | 0,305 | 5,5 |
| 7,89 | 3,65 | 53,9 | 0,29 | 2,9 |
* Résultats obtenus lors de plusieurs expériences
Les levures, à différentes concentrations en substrat (tableau 3), présentent des rendements d’élimination de la DCO et des vitesses spécifiques de croissance qui varient selon la concentration des vinasses ; ils sont maximaux pour une concentration de 16,5 g/l en DCO (DCO éliminée = 79 %, μ = 0,316 h⁻¹).
La quantité de biomasse produite par rapport au substrat consommé est voisine de 0,5 kg/kg. Pour une concentration faible en substrat (DCO = 7,89 g/l), le rendement d’élimination de la DCO chute. Certains composés organiques sont peut-être présents en quantité limitante pour permettre une biodégradation par les micro-organismes (concentrations inférieures au Ks).
L’étude a été poursuivie par une culture continue sur un effluent à 27 g/l de DCO. Différents débits d’alimentation ont été appliqués, pendant 15 à 30 jours, au réacteur ensemencé avec une association de quinze souches de levures.
Les résultats sont présentés dans le tableau 4 et la figure 1. Pour des charges volumiques applicables variant de 33 à 87 kg de DCO j⁻¹ m⁻³, le rendement d’élimination de la DCO est voisin de 72 %, avec une concentration en biomasse de 9 g/l.
[Figure : Déroulement d’une culture continue d'une association de levures sur vinasses de mélasses à une charge volumique de 41,9 kg DCO j⁻¹ m⁻³]Tableau 4. — Résultat d’une culture continue des levures sur vinasses de mélasses diluées six fois
| Charge volumique (kg DCO j⁻¹ m⁻³) | Temps de séjour hydraulique (h) | DCO éliminée (%) | Biomasse concentration (g·l⁻¹) | Biomasse production (kg MS m⁻³ de réacteur) |
|---|---|---|---|---|
| 33,8 | 16,95 | 74,4 | 9,45 | 13,39 |
| 41,9 | 14,3 | 71,4 | 7,2 | 12,07 |
| 45,0 | 12,0 | 74,9 | 9,35 | 18,72 |
| 54,0 | 11,3 | 70,5 | 7,0 | 16,35 |
| 65,2 | 9,36 | 70,1 | 9,12 | 23,14 |
| 87,6 | 7,48 | 68,0 | 11,36 | 37,28 |
Cet écosystème est composé de trois souches de levures, de bactéries (dix fois plus nombreuses) et d’un champignon dont les spores sont contenues dans l’effluent concentré. L’augmentation de la charge appliquée provoque des changements de proportions entre ces espèces, notamment la diminution du nombre de bactéries et de champignons. La limitation du temps de rétention hydraulique provoque peut-être ce phénomène par lessivage des micro-organismes ayant des taux de croissance plus faibles. De plus, une charge volumique de 87,6 kg DCO j⁻¹ m⁻³ est encore loin des possibilités des levures : durant cette dernière culture continue, la vitesse spécifique de croissance μ est égale à 0,138 h⁻¹.
Cette étude sur un substrat complexe difficilement biodégradable a été réalisée en parallèle avec une autre sur un effluent fortement chargé en sucres : les saumures provenant d’une confiserie.
Saumures d’une confiserie
Cet effluent contient une concentration élevée en sucres mais également des sulfites défavorables à des traitements biologiques traditionnels. Parmi notre collection de souches de levures, seulement huit sont capables de croître sur ce substrat, même à de faibles concentrations.
Les résultats de cultures discontinues, avec l’association de ces huit souches, sur différentes concentrations en saumures, sont présentés dans le tableau 5.
Tableau 5. — Influence de la concentration des saumures sur la croissance des levures
| Substrat (g DCO l⁻¹) | g COT l⁻¹ | Rend. épuration COT (%) | μ (h⁻¹) | Biomasse (g l⁻¹) |
|---|---|---|---|---|
| 6,9 | 2,4 | 78 | 0,21 | 1,9 |
| 15,76 | 5,48 | 79 | 0,14 | 4,3 |
| 26,05 | 9,06 | 73 | 0,148 | 6,0 |
rendement d’élimination du COT est voisin de 76 % pour les trois concentrations étudiées. La vitesse spécifique de croissance de l’association des levures semble diminuer avec la concentration en substrat. Au niveau de l'usine, cet effluent est dilué quatre fois par les autres eaux de rejet.
Tableau 6. — Résultats d'une culture continue de levures sur saumures diluées 4 fois
| Charges volumiques (kg DCO/j·m³) | Charges volumiques (kg COT/j·m³) | Temps hydraul. (h) | Rendt. éliminat. % COT | Concentration g·l⁻¹ |
|---|---|---|---|---|
| 38,66 | 14,32 | 14,28 | 78,4 | 4,45 |
| 45,36 | 16,80 | 12,5 | 89,6 | 4,71 |
| 59,86 | 22,17 | 9 | 92,5 | 5,28 |
Une culture continue, avec augmentation progressive du débit d’alimentation du réacteur, a été réalisée avec l'association des huit souches de levures à un effluent contenant 26 g/l de DCO. Ses résultats sont reportés dans le tableau 6. On remarque que le rendement d’élimination du COT augmente légèrement avec la charge volumique appliquée. Ce phénomène peut traduire une adaptation des souches présentes dans le réacteur à leur substrat, augmentant leur consommation de sucres. Sur cet effluent, la biomasse est composée uniquement de trois souches de levures ; cette biomasse peut être valorisable.
DISCUSSION
L'utilisation des levures afin d’éliminer la pollution carbonée de certains effluents concentrés agro-alimentaires semble, au regard des résultats énoncés, une solution intéressante. Il est possible d’obtenir, à des charges volumiques très élevées, des rendements d’élimination de la DCO satisfaisants, sur des effluents différents ; certains contenant des composés toxiques pour les procédés biologiques aérobie ou anaérobie traditionnels.
Les résultats obtenus sont les suivants :
| Effluents | Charge volumique (kg DCO/j·m³) | % de DCO éliminée |
|---|---|---|
| Effluent protéique (Viandox) | 53 | 83 |
| Vinasses de mélasses de betterave | 87,6 | 68 |
| Saumures de confiserie | 59,86 | 92,5 |
Les potentialités maximales de cette technique n’ont pas encore été explorées (charges volumiques maximales applicables...), les levures étant capables de croître avec des vitesses spécifiques deux fois supérieures à celles atteintes lors de nos cultures continues. La possibilité de traiter différents effluents avec de telles charges volumiques permet de diminuer le volume des stations de traitement et de réduire leur coût d’investissement.
Enfin, leur grande vitesse spécifique de croissance et leur capacité à croître sur des effluents variés et concentrés peuvent également permettre d’éliminer la pollution carbonée d’effluents saisonniers.
Néanmoins, l'utilisation des levures soulève quelques problèmes :
- — dans le cadre de nos études sur deux effluents, la biomasse contenue dans le réacteur est composée d'une association bactéries-levures. Les levures produites contiennent environ 40 % de protéines et peuvent être valorisables, à condition de ne pas présenter un taux élevé de contaminants. Des conditions différentes de culture, diminution du temps de séjour hydraulique ou du pH, permettront de diminuer cette contamination bactérienne (travaux en cours) ;
- — la biomasse produite doit être séparée de l'effluent traité. Cette étape du procédé peut être réalisée par centrifugation, flottation ou filtration ; elle nécessite une étude technique et économique (consommation d’énergie) ;
- — les levures, travaillant à des charges élevées, sont également grandes consommatrices d’oxygène (1 kg O₂/kg BOD₅ éliminé). Les dispositifs d’aération du réacteur doivent être performants et leur capacité de transfert maximale ;
- — les eaux rejetées après traitement par les levures contiennent encore une charge organique polluante (jusqu’à 7 g/l en DCO pour les vinasses de mélasses de betterave) ; un traitement biologique classique complémentaire (boues activées) est donc nécessaire.
Malgré ces inconvénients, ce procédé semble une alternative intéressante à la digestion anaérobie, inhibée par certains composés minéraux et parfois difficile à mettre en œuvre.
CONCLUSION
Les études menées au niveau du laboratoire sur l'épuration carbonée d’effluents concentrés provenant d'industries agro-alimentaires par les levures montrent l'intérêt que représentent de tels micro-organismes.
L'utilisation des levures permet, en effet, à des charges volumiques de 50-80 kg DCO/j·m³ de réduire la DCO de ces eaux résiduaires, de 60 à 80 % (suivant le type d’effluent et la charge volumique appliquée).
Ce procédé permet de diminuer jusqu’à 50 fois la taille des installations par rapport à des procédés classiques d'épuration.
Afin de déterminer son intérêt industriel et d’évaluer les problèmes technologiques posés par la séparation biomasse-eau traitée, l'apport d’oxygène, une étude sur un pilote semi-industriel a été entreprise sur les vinasses de mélasse au cours de l'automne 1985.
BIBLIOGRAPHIE
- K. Oshizawa, K. Otsuka, K. Nojiro, T. Koizumi, K. Mitsutomi et S. Nakamura. — United States Patent 4.371.440 (1983). Method of treating a waste water rich in protein.
- C. Christ, J.-M. Lebeault, C. Noël et J. Leclair. — United States Patent 4.264.740 (1981). Apparatus for treating residual water.
- B. Malige, R. Gondal, G. Moulin et P. Galzy. — Institut national de la propriété industrielle 2.492.403 (1980). Procédé de culture de micro-organismes, en particulier de levures, sur du lactosérum.
