Les recherches industrielles réalisées au cours des dernières années concernant les unités de filtration sur charbon actif granulé (CAG) ont mis en évidence de nombreux phénomènes de biodégradation pouvant affecter les rendements des procédés nécessaires au traitement des eaux potables. À partir des travaux de Fiessinger et Richard (1980) et Malleviale (1980), il est apparu que l'impact réel de la bioactivité des filtres à CAG sur l'abaissement du carbone organique total (COT) se limite à la réduction du carbone organique assimilable (COA) qui ne représente qu’une faible fraction des matières adsorbables sur le charbon actif. Néanmoins, plusieurs modèles prévisionnels ont été récemment développés pour traduire les performances des filtres à CAG à l'intérieur desquels s'établit une activité bactérienne (Malleviale, 1980 ; Peel et Benedek, 1977 ; Chi Tien, 1980).
Les phénomènes de biodégradation survenant lors du traitement d’affinage de l'eau potable peuvent alors être appréhendés par de multiples mesures de dénombrement bactérien à la surface du charbon et de paramètres biochimiques (activité protéolytique, nitrosante et nitrifiante, dosage de l’oxygène dissous et de l’adénosine triphosphate), susceptibles de refléter les relations réciproques entre le métabolisme bactérien et la qualité des eaux traitées (Rizet et Coute, 1981 ; Bourbigot, 1981 ; Bourbigot et Coll., 1981).
Si la description des processus de colonisation bactérienne du charbon activé a fait l'objet de diverses études dans le domaine de l'épuration biologique des eaux usées (Weber et Coll., 1978 ; Lowry et Burkhead, 1980 ; Gaid et Coll., 1982), l'observation in situ de l'évolution microbiologique du CAG n'a été que peu abordée jusqu'à présent dans le cas de l'affinage des eaux potables.
Ce travail présente des observations par microscopie électronique à balayage réalisées sur le charbon actif granulé d’une installation pilote de filtration d'eau potable, et a pour but :
— d'illustrer la colonisation microbiologique rapide des filtres à CAG ; — de mettre en évidence les caractéristiques physiques de la croissance bactérienne à la surface des grains de charbon actif ; — de discuter l'influence de la maturation microbiologique sur les rendements d’élimination du carbone organique par les filtres à CAG.
CONDITIONS EXPÉRIMENTALES
Filtration sur charbon actif
Une colonne-pilote de filtration sur CAG Filtrasorb-400 (Chemviron) d'un diamètre de 50 mm a été utilisée comme réacteur microbiologique lors de la filtration d'une eau potable chargée artificiellement de 1,0 mg/l de détergent anionique (lauryl sulfate de sodium). Une vitesse de filtration de 10 m/h a été maintenue en continu (sans étape de lavage) à travers un lit filtrant de 15 cm de charbon. L’eau d'alimentation (réseau de distribution de la Ville de Limoges) possède les caractéristiques suivantes : pH = 7,0 ; t = 15 °C ; COT < 5 mg/l ; chlore total variant entre 0 mg/l et 0,1 mg/l ; dénombrement bactérien (20 °C) de 0 bactérie/l à 5 bactéries/l.
L'utilisation de lauryl sulfate de sodium, comme micropolluant biodégradable, assure un substrat favorable aux populations bactériennes. Des échantillons de charbon sont prélevés en surface après un temps de filtration de 5 jours et de 15 jours pour observation microscopique.
Préparation microscopique
L'observation de grains de charbon activé par microscopie électronique à balayage (MEB) permet d'obtenir une image tridimensionnelle des éléments microbiologiques sans altérer leur aspect ou leur relation physique avec le support de croissance.
Pour éviter toute modification morphologique des micro-organismes soumis à un vide poussé et à un
Faisceau d’électrons, les échantillons prélevés doivent être rapidement fixés en deux étapes, déshydratés et séchés (Weber, 1978).
Une pré-fixation de deux heures par un mélange de 2 % paraformaldéhyde – 2,5 % glutaraldéhyde préserve et stabilise les structures cellulaires de même que la continuité des systèmes membranaires. Le durcissement permanent des cellules et la gélification des membranes sont obtenus par une post-fixation au tétroxyde d’osmium (OsO₄) 1 %. Les fixateurs sont préparés en solution tampon phosphate de sodium 0,1 M à pH = 7,3. Les grains de charbon fixés sont par la suite déshydratés par rinçages successifs dans des solutions mixtes eau/éthanol puis éthanol/acétone à concentrations croissantes.
Afin de limiter toute déformation des objets microbiologiques attribuable aux tensions superficielles apparaissant lors du séchage des échantillons, un dessiccateur BALZERS est utilisé pour remplacer l’acétone par du CO₂ liquide qui est évaporé au point critique.
Les préparations séchées sont métallisées à l’or, sous vide, dans le but d’augmenter la conductivité des surfaces biologiques, puis observées à l’aide d’un appareil MEB Jeol JSM-35.
RESULTATS ET DISCUSSIONS
L’observation d’échantillons témoins de charbon actif brut avant (figure 1) et après (figure 2) les traitements de fixation, déshydratation et dessiccation au point critique, montre l’aspect superficiel des grains non ensemencés. Leur surface est caractérisée par une relative homogénéité d’ensemble et parsemée de cavités (d’un diamètre de 30 µm à 60 µm) ainsi que de fractures qui constituent des sites favorables à la fixation bactérienne. On peut noter la régularité dimensionnelle (faible dispersion des tailles) de ces cavités qui semblent contenir plus de macropores (diamètre supérieur à 0,1 µm) que la surface externe des grains de charbon.
Temps de filtration de 5 jours
L’examen de grains de charbon prélevés après un temps de filtration de seulement 5 jours et sans lavage intermédiaire a mis en évidence la présence de nombreuses variétés de micro-organismes bacillaires et flagellés, colonisant des sites dispersés à l’intérieur des aspérités superficielles du charbon (figure 3). À ce stage d’ensemencement naturel, on remarque que les bactéries bacillaires (dimensions de 1,5-2,0 µm) sont absentes des surfaces lisses et libres de matières organiques (figure 4) alors que les organismes flagellés semblent être aptes à s’y établir (figure 5).
Les sites de colonisation bactérienne demeurent ainsi les aires accidentées où s’accumule le floc organique provenant de la précipitation du détergent (figure 6). Tel que noté par Rizet et Coute (1981) et Gaid et coll. (1982), les bactéries adsorbées à la surface du charbon développent un réseau fibreux de nature polysaccharidique (figure 7) assurant leur adhésion au support granulaire, et une protection contre les forces de cisaillement dues à l’écoulement hydraulique.
La présence d’algues est également révélée très tôt après la mise en opération de la colonne de filtration sur CAG (figure 8). Il apparaît donc que le matériau adsorbant retient facilement, dès les premiers jours d’opération, les micro-organismes contenus dans l'eau à traiter (ainsi que ceux pouvant provenir du milieu environnant) et que la reproduction bactérienne y est déjà intense.
Temps de filtration de 15 jours
Les prélèvements de charbon en surface de la colonne adsorbante après un temps de filtration de 15 jours ont montré une accumulation de floc interstitiel susceptible de gêner la préparation microscopique.
Les grains de charbon ont alors été soigneusement rincés afin de présenter une surface peu encombrée et apte à subir les traitements de fixation. La figure 9 illustre l'aspect typique des grains de charbon déjà enrobés d'une couche de matières organiques, provenant principalement de la précipitation saline du détergent. La formation d'un voile organique uniforme, couvrant l'entière surface du charbon actif (figure 10), rend difficile la localisation des populations microbiologiques. Cependant, aucune observation réalisée à ce stade de la maturation ne laisse apparaître de biofilm (conglomérat de micro-organismes à l'intérieur d'une épaisse masse gélatineuse) tel qu’observé dans les procédés d’épuration biologique. La présence d'un tel film, d’allure membranaire, ne laisse aucun contact libre apparent avec le fluide et la colonisation bactérienne n'apparaît que rarement et sous forme de vestiges en surface externe des grains de charbon.
On remarque toutefois la présence de nombreuses algues unicellulaires sphériques (diamètre variant entre 4 µm et 8 µm) dissociées de la surface externe du film organique afin de maintenir leur activité photosynthétique (figure 11). Ces petites algues vertes (figure 12), principalement du genre Chlorella, accroissent leur taille afin de se reproduire par autosporulation donnant naissance à 4 ou 8 microspores sphériques immobiles (Bourrelly, 1966). La libération du contenu sporocytaire par déchirure de la paroi de la cellule-mère laisse des asques fantômes (coques globuleuses) indicatrices de conditions favorables à la reproduction alguale (figure 13).
Croissance microbiologique et adsorption physico-chimique
La maturation microbiologique de la colonne de filtration sur CAG a conduit, après plusieurs semaines d'opération, à l'apparition d'une importante microfaune de protozoaires ciliés du genre Colpidium, Aspidisca et Euplotes. Le dénombrement bactérien y atteint alors environ 5,0 x 10⁶ bactéries/g de charbon à 20 °C et 1,0 x 10⁷ bactéries/g à 37 °C.
Selon Benedek (1980), la colonisation bactérienne des systèmes de traitement utilisant le CAG procède par :
1. adsorption rapide des bactéries à l'intérieur du filtre ;
2. intense synthèse bactérienne au-delà des capacités de rétention du charbon ;
3. élimination de l’excès bactérien dans l'eau traitée ou l'eau de lavage ;
4. atteinte d'un équilibre stationnaire de la population microbienne.
Bien que le charbon actif puisse constituer un réservoir favorable au développement bactérien (protection contre les désinfectants et les substances toxiques, adsorption de l'oxygène dissous), l'utilisation des substrats biodégradables adsorbés dans les micropores du charbon a été reconnue comme une source mineure d'alimentation bactérienne (Lowry et Burkhead, 1980 ; Miller et al., 1980). Ainsi, si les colonies bactériennes se concentrent au niveau des sites de fixation de la matière organique, une très faible population sera en mesure d'utiliser le
carbone organique adsorbé (les macropores et micropores, inaccessibles aux bactéries, constituant plus de 99 % de la surface active du CAG).
Les observations microscopiques indiquent que le charbon atteint rapidement une « saturation » physique de sa surface par accumulation de dépôts organiques divers. Il est alors probable que l’augmentation d’épaisseur de ce film résiduel finit par constituer une surface artificielle limitant le transfert des composés solubles et affectant la distribution bactérienne au niveau des macropores du charbon. Dans ces conditions, le vieillissement physique de la surface du charbon serait susceptible d'orienter préférentiellement les populations bactériennes vers les surfaces externes créées par accumulation de matières organiques. Ces zones constitueraient un support de croissance microbiologique plus favorable que la surface même du charbon, privilégiant ainsi une biodégradation indépendante des capacités d'adsorption physico-chimique du CAG. L'activité bactérienne obtenue lors de la maturation biologique du CAG ne serait alors pas tributaire de la fraction de carbone organique adsorbée à la surface du charbon actif (Lafrance et Villessot, 1982).
CONCLUSION
L'observation in situ par microscopie électronique à balayage de grains de CAG illustre le rapide développement microbiologique survenant dans les installations de filtration d'eau potable. La surface du charbon présente une colonisation bactérienne dès les premiers jours d'opération et se recouvre progressivement, en présence de détergent biodégradable, d'une membrane organique résiduelle. Le milieu interstitiel du support granulaire constituera alors une niche favorable à l'installation d'une microflore et d'une microfaune diverses (algues, protozoaires nageurs, prédateurs de bactéries) dont le comportement demeure un facteur ignoré de la maturation microbiologique du CAG. Il est probable que la biomasse naturelle fixée à la surface du charbon actif, tout en n’affectant que peu l'état des matières absorbées, puisse contribuer à l'enlèvement des substances difficilement adsorbables. La présence de populations microbiologiques stabilisées à l'intérieur des filtres à CAG n'interviendrait alors sur les performances d'élimination des matières organiques qu'en fonction de leur biodégradabilité et de leurs caractéristiques d'adsorption, les deux mécanismes épurateurs pouvant survenir de façon simultanée ou indépendante.
BIBLIOGRAPHIE
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