Il y a d'abord une étude réalisée à la demande du Groupement Technique de la Sucrerie sur l'épandage des eaux boueuses de sucrerie provenant du lavage des betteraves. Après avoir caractérisé les effluents du point de vue matière en suspension, pollution organique, composition ionique, des expérimentations ont été mises en place sur plusieurs usines pour étudier l'épandage sur billons.
À la demande de la Direction des Industries Agricoles et Alimentaires du Ministère de l'Agriculture, une étude de l'épandage des eaux résiduaires des industries est en cours. Fait en collaboration avec le C.E.R.A.F.E.R., ce travail qui a commencé fin 1971 devait durer jusqu'en 1975 ; il concerne trois stations agronomiques : Amiens, Dijon et Versailles.
Cette étude coordonnée est effectuée à trois niveaux d'analyse qui sont, en allant du plus global au plus délimité :
- — une étude destinée, d'une part, à préciser l'importance des problèmes d'épuration selon les industries (volume rejeté, composition des effluents), d'autre part, à utiliser l'information disponible dans les épandages en fonctionnement, pour ce qui est de l'évolution des sols et des problèmes agronomiques posés par l'épandage. Cette étude concerne 30 usines : sucrerie, distillerie, féculerie, laiterie, conserverie de légumes, abattoir, fabrique de jus de fruit ;
- — une expérimentation au champ destinée essentiellement à préciser le pouvoir épurateur du sol en prélevant de l'eau ayant traversé le sol au moyen de dispositifs tels que drains, bougies poreuses et lysimètres. On étudie, en même temps, l'évolution des propriétés physiques, chimiques et biologiques du sol et les conséquences sur les plantes. Comme ces dispositifs expérimentaux sont complexes et demandent de nombreuses mesures, on s'est limité à trois industries (sucrerie, conserverie de légumes, laiterie) ;
- — une étude en laboratoire de certains des mécanismes mis en jeu dans le fonctionnement même du sol comme système épurateur : déplacement miscible de solutions du sol de composition différente, paramètres de biodégradabilité des matières organiques dans le sol.
3.2. — L'étude du devenir des pesticides (herbicides, insecticides, fongicides, rodenticides) dans le sol est essentielle pour connaître, selon les cas, leur efficacité et leur rémanence, mais aussi leur entraînement éventuel dans les eaux.
Le problème est très vaste compte tenu du nombre de produits utilisés, du retrait de certains et de l'apparition de certains autres. Des études qui concernent les produits sont conduites dans trois stations d'agronomie et une station de malherbologie depuis le début 1972. Elles concernent la fixation de ces produits par le sol, leur migration et leur dégradation.
4. — CONCLUSION
La meilleure connaissance des mécanismes mis en jeu dans le fonctionnement du sol comme système épurateur devrait permettre, par une mise en œuvre convenable, d'utiliser le sol de façon efficace pour résoudre les problèmes d'eaux résiduaires et de déchets qui se posent dans certaines situations.
À court terme, on pourra améliorer considérablement l'efficacité des épandages actuels, proposer à bon escient selon les situations des procédés d'épuration efficaces et moyennement onéreux : épandage de station d'épuration ou utilisation conjointe de la station et de l'épandage. Cette combinaison peut être particulièrement intéressante lorsque le volume d'effluents et sa charge polluante varient beaucoup dans le temps. La meilleure connaissance du pouvoir épurateur du sol pourra ainsi contribuer à fournir une solution à l'épuration des effluents des habitations isolées.
À plus long terme, les connaissances acquises à l'issue de ces recherches seront fort utiles pour se débarrasser des boues de station d'épuration à forte charge, le problème des boues devenant de plus en plus aigu avec la multiplication des stations. L'épuration tertiaire des eaux sortant des stations classiques peut également trouver une solution dans l'épandage des terrains agricoles.
Pour ce qui est des pesticides, la connaissance de la dynamique de certains d'entre eux dans le sol fournira des éléments sur leurs dangers éventuels d'entraînement et les précautions à prendre pour leur emploi.
R. Gras, G. Catroux, Ph. Graffin, A. Morisot.
par (*)
1. — INTRODUCTION
L'ensemble des industries agricoles et alimentaires doit éliminer une charge polluante représentant environ 20 % de la pollution générale de la France, la pollution d'origine urbaine s'élevant à 32 % et celle des autres industries à 48 %. La charge polluante due à l'agriculture, actuellement encore très dispersée, n'a pas été prise en compte dans ce bilan. Dans ces industries, la tendance à la concentration en unités de grandes dimensions accentue encore la gravité de leurs problèmes d'eaux résiduaires.
C'est dans cette perspective que se pose également le problème des effluents d'élevage. En effet, l'élevage français, avec plus de 20 millions de bovins et près de 15 millions de porcins, représente, potentiellement, une charge polluante équivalente, au moins, à la pollution d'une population de 200 millions d'habitants.
Actuellement, l'ensemble de ce cheptel est encore très disséminé, mais la France n'échappera pas à la tendance de concentration de l'élevage, avec une augmentation constante de la dimension des exploitations. Parallèlement, un déséquilibre s'installe entre unités de productions animales et unités de productions végétales, conduisant, dans le cas d'élevage à forte concentration, type élevage sans sol, à de graves problèmes d'évacuation des déjections.
Cela revêt une importance particulière pour l'élevage porcin, car on assiste à un développement des porcheries de taille moyenne qui ont des problèmes de pollution (pas de paille) et qui n'ont pas les moyens d'avoir les stations d'épuration nécessaires.
La pollution émise étant le résultat d'une activité de production ou de transformation plus ou moins complexe, il importe d'intervenir à plusieurs niveaux pour :
- — évaluer les charges polluantes des différentes industries agricoles et des élevages industriels ;
(*) Station de Technologie des Produits Végétaux - Dijon.
- — étudier les pollutions à la source et les moyens de les réduire
- — modifier quand cela est possible les procédés technologiques dans le sens d'une réduction de la pollution ;
- — abaisser la charge des effluents rejetés en récupérant les sous-produits valorisables ;
- — traiter enfin les effluents avant leur passage dans le milieu extérieur.
La contribution de l'I.N.R.A. à ces différentes questions est évoquée ici à l'aide de quelques exemples.
2. - ÉVALUATION DE LA CHARGE POLLUANTE DES EAUX RÉSIDUAIRES DES INDUSTRIES AGRICOLES ET ALIMENTAIRES ET DES ÉLEVAGES
En général, les eaux résiduaires de l'agriculture et des industries agricoles renferment peu de composés difficilement biodégradables et peu ou pas de substances toxiques en elles-mêmes. Ces effluents déversés sur le sol ou dans les rivières sont surtout dangereux parce qu'ils contiennent en solution des composés organiques dont la métabolisation par les bactéries entraîne une très forte diminution de la teneur en oxygène dissous. Le volume et la charge polluante de ces rejets sont le plus souvent très élevés.
Avant d'effectuer toute étude ou toute intervention dans ce domaine, il est indispensable de bien connaître et de bien chiffrer la nature et le volume des eaux résiduaires. Il faut effectuer un diagnostic précis concernant la pollution émise et pour cela il faut disposer d'un important potentiel analytique permettant d'obtenir un grand nombre de résultats auxquels on peut se fier. C'est ainsi que les stations et un laboratoire de l'I.N.R.A. ont développé dans les départements intéressés des services d’analyses très modernes, le plus souvent automatisés.
De nouvelles méthodes concernant les mesures automatiques de DBO5 (1), de DCO (2) et de carbone organique ont été mises au point et publiées, après analyse critique et comparée des différentes techniques préexistantes.
Ainsi, il est possible, dans les cas des effluents à charge élevée des industries agricoles et alimentaires, de mesurer la demande biochimique en oxygène des eaux en procédant par mesure indirecte à la consommation d'oxygène au cours d'une épreuve d'incubation standardisée. La consommation d'oxygène est donnée par la différence entre la DCO de l'effluent avant et après incubation.
Actuellement certaines recherches portent sur la mise au point d'une détermination automatique simultanée de la DCO, du carbone organique et de l'azote total. La connaissance rapide de ces valeurs, pour un effluent donné, devrait permettre de proposer un indice rendant compte du degré d'oxydation d'un effluent et des possibilités de l'épurer par voie chimique ou biologique.
3. - ÉTUDE DES POLLUTIONS À LA SOURCE ET DES MOYENS DE LES RÉDUIRE
Il est évident que l'étude des pollutions à la source apporte des informations de base sur la nature globale des effluents et permet de conduire plus sûrement les recherches sur l'évolution au stockage et le traitement ultérieur des effluents. À cet égard l'exemple de l'élevage porcin est significatif.
La composition des effluents de porcherie est examinée en fonction des principaux paramètres pouvant l'affecter : état physiologique de l'animal, alimentation, mode d'exploitation. Les travaux sont réalisés en parallèle sur des animaux logés individuellement en cage de digestibilité et sur des animaux identiques maintenus dans les conditions normales d'élevage en porcherie. Des essais ont été réalisés sur porcelet (3 à 10 kg), porc en croissance (30 à 100 kg) et sur la truie gestante.
La cinétique d'émission des effluents dans une porcherie est mesurée en vue de déterminer les variations de production au cours de la journée et les variations saisonnières.
(1) DBO5 : demande biochimique en oxygène. (2) DCO : demande chimique en oxygène.
Différents régimes alimentaires ont été administrés et leur influence sur la pollution produite a été étudiée ; les premières conclusions montrent que :
- — la pollution émise exprimée en DBO5 ou en DCO augmente avec le poids vif de l'animal, la quantité d'aliments ingérés et leur composition (présence ou non de graisse) ;
- — la DCO varie de 43 à 620 g/jour suivant que l'on s'adresse au jeune porcelet ou à la truie gestante.
Le volume du lisier émis en porcherie varie de 2 à 10 litres et la quantité de matière sèche de 250 à 400 g/jour chez le porc en croissance.
Le mode d’alimentation et de logement (présence ou non de paille, lavages) constitue un facteur important de variation car les eaux de lavage représentent jusqu’à 75 % du volume de l'effluent liquide et l'utilisation d'une litière de paille entraîne une réduction de 50 % du taux d’azote de l'effluent liquide.
Les études se poursuivent à l'heure actuelle en vue de préciser les conséquences que peuvent entraîner les variations des différents paramètres sur les propriétés des effluents.
Parallèlement à ces travaux au niveau de l'animal et de la porcherie, l'évolution du lisier au cours du stockage a été étudiée. Il a été possible de mettre ainsi en évidence une réduction notable de la DCO qui passe de 20 000 mg/l à 6 000 mg/l en 8 semaines environ. Il en est de même pour l'azote total qui évolue de 1 600 à 1 200 mg/l. Dans le lisier sans fèces, les valeurs passent respectivement de 13 000 à 6 000 mg/l pour la DCO et de 1 100 à 650 mg/l pour l'azote total.
Enfin les études microbiologiques ont montré qu'il y a diminution des populations de tous les groupes microbiens à l'exception des germes générateurs d’odeurs.
4. - MODIFICATION DES PROCÉDÉS TECHNOLOGIQUES DANS LE SENS D'UNE RÉDUCTION DE LA POLLUTION
Ces recherches qui visent à mettre au point des « technologies propres » tendent simultanément à utiliser le moins possible d'eau et à rejeter une pollution globalement réduite avant le traitement d'épuration. C’est ainsi qu’en sucrerie, l'I.N.R.A., en liaison avec les industriels intéressés, a poursuivi des recherches sur les économies d'eaux par recyclage de certaines catégories d'effluents. L'usine ayant besoin de débits importants pour le lavage et le transport des betteraves, il a paru intéressant de recycler les eaux boueuses, ce qui permet de maintenir une quantité de fluide importante dans les circuits tout en réduisant l'importance des rejets. Il en est de même des eaux de condensation.
Une étude théorique et expérimentale du recyclage a montré que la charge polluante des eaux recyclées tend vers un maximum. La valeur maximale de la charge dépend de la pollution à l'origine (pourcentage de terre par exemple), du taux de recyclage et de la température.
Le recyclage de ces eaux boueuses se fait à deux niveaux, soit à l'usine après décantation rapide soit après passage dans les bassins (décantation lente). Un cas particulier est celui des circuits « eaux de transport et eaux de lavage ». La théorie et quelques mesures montrent que ces deux circuits doivent être distincts avec des recyclages séparés. En effet, le circuit de transport nécessite un débit important mais son taux d'utilisation est faible. En revanche, le circuit de lavage, pour éviter des pertes importantes en sucre, doit être court avec un temps de séjour faible. Dans un circuit court à petit volume d'eau, la concentration en sucre s'élève rapidement et se stabilise à un haut niveau, ce qui a pour effet de diminuer les pertes par échange avec le sucre de la betterave.
On évite également de diluer les écumes de carbonatation avant de les évacuer et cela a constitué un des plus grands progrès de ces dernières années en ce qui concerne la réduction de la pollution en sucrerie. L’évacuation de ces écumes à l'état de pâte permet après ressuyage de les manipuler à la pelle mécanique et de les utiliser comme amendement. On a pu ainsi éliminer la plus grande partie du rejet de ces eaux fortement chargées (DCO = 15 000).
5. - RÉCUPÉRATION DES SOUS-PRODUITS VALORISABLES AVEC ABAISSEMENT DE LA POLLUTION
La valorisation des sous-produits des industries agricoles et alimentaires est en général souhaitable. Si cette valorisation se double de la faculté d'abaisser simultanément la pollution, cela permet de ne pas intégrer le coût total des investissements non productifs nécessaires à l'épuration dans le prix de revient du produit fini principal.
Ainsi, depuis 1967, l'I.N.R.A. étudie le traitement des vinasses de distilleries vinicoles et deux axes de recherches ont été menés parallèlement, à l'échelon de la distillerie et à l'échelon du laboratoire.
- — À l'échelon de la distillerie : les vinasses de lies, après récupération de l'acide tartrique par des procédés qui se généralisent actuellement, contiennent encore de 30 à 50 g/l de levures (poids sec) qui représentent une charge polluante variant de 50 000 à 100 000 mg de DCO. Il apparaissait donc nécessaire d'éliminer ces matières organiques par des moyens physiques afin de diminuer cette charge polluante. Divers essais de récupération ont été entrepris au moyen de couches filtrantes et par centrifugation.
- — À l'échelon du laboratoire : il s'agissait d'étudier la composition de ces matières extraites et d'essayer de les valoriser en les considérant, soit comme source de protéines pour l'alimentation animale, soit comme engrais organiques dans le cas le plus défavorable. Les recherches concernant l'analyse qualitative et quantitative de ces produits ont fait l'objet d'un contrat D.G.R.S.T. ; il apparaît, en particulier, que ces levures sont plus riches en acides aminés indispensables que les levures actuellement commercialisées. Les premiers essais sur animaux ne sont cependant pas très favorables et il sera peut-être nécessaire d'effectuer un traitement complémentaire pour améliorer la digestibilité. Même après élimination des matières en suspension (tartrates insolubles et levures), la charge polluante de l'effluent de distillerie reste considérable (DCO : 15 à 20 000).
On s'est donc orienté vers une épuration par voie microbiologique qui présente le double intérêt de rapidité et de possibilité de production d'un aliment riche en protéines et vitamines ; ce processus peut, d'autre part, rentabiliser une partie de l'épuration.
Les premiers essais ont été conduits avec une levure utilisée couramment pour la production de protéines : Candida utilis. Très vite nous nous sommes aperçus qu'elle ne pouvait convenir aux exigences que nous nous étions fixées (mauvaise utilisation du C organique, adsorption des matières colorantes sur la paroi cellulaire). C'est pourquoi, dans l'état actuel de nos recherches, nous avons sélectionné des levures du genre Rhodotorula qui semblent plus intéressantes ; elles ont, en effet, l'avantage de métaboliser les substances polyphénoliques (substances difficilement biodégradables), d'être une source de provitamine A et d'accumuler des acides aminés soufrés, méthionine en particulier. Au stade laboratoire, en fermenteur de 20 litres, cette méthode permet de diminuer la DCO résiduelle de 80 % en 24 heures. Des recherches complémentaires seront nécessaires pour définir les conditions de culture idéales et transposables au stade industriel.
6. - TRAITEMENT DES EAUX RÉSIDUAIRES PAR VOIE BIOLOGIQUE
À partir du moment où il est nécessaire d'épurer un rejet d'industrie agricole et alimentaire on peut dire sans grand risque de se tromper que chaque cas est un cas d'espèce et qu'il faut en tenir compte pour moduler les études de « traitabilité ». L'exemple cité ici est celui de l'épuration biologique des eaux résiduaires de panneaux de fibres de bois. C'est à la demande des industriels intéressés que le problème de l'épuration biologique des eaux résiduaires de panneaux de bois a été abordé. En effet dans cette fabrication fortement polluante (50 m³ d'eau polluée à 4 000 de DCO pour 1 tonne de produit fini), il est impossible de s'adresser aux stations classiques « boues activées », car du fait de la nature de la charge polluante, les phénomènes de bulking (mauvaise décantation) sont très importants.
Après avoir déterminé, à tous les niveaux, sur une installation pilote « boues activées », la nature et l'importance de la charge polluante de l'effluent, nous avons proposé d'inclure dans l'installation un oxygénateur secondaire de boues de grand volume (1/3 du volume total d'oxygénation) qui a pour effet :
- 1. De favoriser l'oxydation des réserves bactériennes dans les boues, ce qui améliore le transfert d'oxygène ;
- 2. De placer, avant recyclage des boues, tous les corps bactériens au même stade physiologique (azote en excès, faim de carbone, pas de croissance).
Les résultats du pilote ayant été immédiatement très améliorés en ce qui concerne la stabilité de marche et la décantation des boues, nous avons ensuite optimisé les différents paramètres (aération, nutrients, volume des bacs, taux de recyclage des boues, etc.).
Ces études en pilote sont maintenant en voie d'achèvement et les consultations auprès des fabricants de matériel d'épuration sont commencées en vue d'une réalisation industrielle.
Parallèlement, nous avons étudié au laboratoire les variations du rapport C/N dans l'effluent à traiter, et l'influence de ce facteur sur le poids sec des « boues activées » (décantation). Quand le rapport C/N augmente, le poids sec des boues augmente, mais le rendement de l'épuration (en DCO éliminée) diminue. Ces résultats fondamentaux permettent de mieux comprendre le fonctionnement des « boues activées » et seront utilisés dans la pratique pour mieux conduire les stations d'épuration biologique.
Enfin des études bactériologiques sur les germes responsables de l'épuration (écophysiologie des systèmes épurateurs) ont été commencées avec l'isolement et la caractérisation des bactéries.
C'est en effet la connaissance intime du métabolisme oxydatif des bactéries responsables de l'épuration qui permettra de comprendre un certain nombre de points encore obscurs et d'améliorer le rendement des systèmes épurateurs.
CONCLUSION
Bien que la présentation qui vient d'être faite, à l'aide de certains exemples, des interventions de l'I.N.R.A. dans le domaine des eaux résiduaires, soit assez révélatrice de l'effort qui a déjà été consenti ; il faut reconnaître que nous manquons encore de beaucoup de connaissances.
Dans l'avenir, l'I.N.R.A. se propose d'intensifier ses recherches dans deux directions d'importance fondamentale concernant :
- — Les effluents :
La caractérisation fine des eaux résiduaires et de toutes les sources de pollution d'origine agricole doit être complétée afin de mettre au point des « technologies propres », de réduire au maximum les pollutions inutiles et d'orienter les moyens d'épuration.
- — L’épuration :
L’efficacité et la fiabilité des systèmes épurateurs doivent être étudiés car il n'est plus possible, dès maintenant, de supporter les rejets incontrôlés d'éléments eutrophisants et de micropolluants. Seules, des études écologiques et physiologiques, depuis les stations d'épuration, les bassins de stabilisation et les sols, jusqu'aux eaux de surface, peuvent conduire, par une meilleure compréhension des mécanismes mis en jeu, à l'amélioration du fonctionnement des systèmes épurateurs.
Par son organisation en départements de recherches dont l'activité est complémentaire, l'I.N.R.A. couvre un secteur très vaste de la biologie, et peut aborder de façon synthétique, comme on l'a vu, les problèmes de traitement des eaux résiduaires. Enfin, dans un souci d'efficacité un groupe de travail interdisciplinaire « eaux résiduaires », coordonne les activités de l'ensemble des laboratoires concernés.
J.N. MORFAUX.
