Cet article est consacré à la biodégradation d'effluents de l'industrie laitière par des champignons. Dans le but d'étudier leur croissance et l'élimination de la matière carbonée, un réacteur en culture batch est inoculé avec des champignons amplifiés ou non. Nous observons que dans ces conditions de culture, les rendements d'élimination de la DCO atteignent 70 %, l'utilisation des mycètes est un procédé très prometteur.
Hayet Djelal, Marianne Perrot, École des Métiers de l'Environnement, Bruz Damien Grizard, Aquaprox, filiale du groupe Protex International
Le traitement des eaux résiduaires est aujourd'hui une préoccupation majeure des industriels qui sont soumis à une réglementation de plus en plus exigeante. L'élimination des boues issues du traitement des effluents représente une part importante du budget consacré à l'environnement.
C'est dans ce contexte qu'Aquaprox, filiale « traitement des eaux » du groupe Protex International et spécialiste du traitement des eaux industrielles de l'agroalimentaire, propose un traitement biologique innovant qui, couplé au système de traitement existant, utiliserait une biomasse fongique spécifique permettant de réduire davantage la pollution carbonée sans augmenter la production de boues. L'idée est d'amplifier les champignons spécifiques Aquaprox dans un bioréacteur sur l'effluent lui-même ou un substrat carboné proche de la composition de l'effluent puis de les injecter dans le bassin biologique. Il s'agit ainsi d'augmenter la cinétique de dégradation de la matière organique par l'action des mycètes injectés dans le bassin biologique de la station de traitement des eaux.
Des essais ont été réalisés sur deux effluents de l'industrie laitière au laboratoire de l'EME.
Généralités sur la biodégradation d'effluents de l'industrie laitière
L'industrie agroalimentaire représente 3 180 entreprises en France et plus de 125 milliards d'euros de chiffre d'affaires. Cette industrie comprend différents secteurs : la viande, les fruits et légumes, les laiteries, les boissons...
L'industrie laitière est la deuxième industrie agroalimentaire en France en termes de chiffre d'affaires, juste derrière l'industrie de la viande ; elle représente 318 entreprises et 23 milliards d'euros de chiffre d'affaires.
Les effluents globaux de l'industrie laitière sont principalement constitués des eaux de pré-rinçage, inter-rinçage des opérations de nettoyage en place (50 à 90 % du volume total) ainsi que des pertes en produits laitiers (1 à 3 % du lait transformé).
La principale caractéristique de ces effluents est leur variabilité, en relation avec les caractéristiques de lait (mode d'élevage, saison), le type de transformation réalisé, la taille de l'usine, la technologie mise en place pour le nettoyage (volumes, produits utilisés). De plus, au sein d'une même usine, on observe des fluctuations quantitatives sai-
Tableau 1 : Composition moyenne des effluents globaux sur 18 sites enquêtés
| Minimum |
| Maximum |
Sommières liées à la collecte de lait, et quali tatives journalières en relation avec les rejets périodiques des eaux de pré-rinçage et des solutions de nettoyage (acide-base) pro venant des différents ateliers.
Le tableau 1 présente la composition moyenne des effluents collectés auprès de 18 sites de groupement d’industriels laitiers français Bretagne biotechnologie Alimen taire (BBA).
On constate que la charge polluante est très variable. La composition de ces effluents s’apparente à celle du lait plus ou moins dilué. Les rapports DCO/DBO5 sont compris entre 1,5 et 2, ce qui confère à ces effluents une bonne biodégradabilité. De plus, le ratio moyen DBO/NTK/P de 100/6/4 est satisfai sant par comparaison aux besoins du traite ment biologique (100/5/1), avec cependant un léger excédent de phosphore. Il convient toutefois de s'assurer de la disponibilité de ces éléments pour les micro-organismes épurateurs. Certains effluents ont des carac tères atypiques : pH extrêmes (3-13), fortes concentrations en matières grasses (600 mg L⁻¹, effluents de beurreries), concen trations en phosphore très élevées dans cer tains effluents de fromagerie en raison de l’utilisation d’acide phosphorique pour net toyer les installations.
Dans certains cas, les eaux de “pousse” peu vent être récupérées, concentrées par éva poration sous vide puis séchées en vue d'une valorisation en alimentation animale. Cependant, ces eaux de “pousse” sont sou vent rejetées avec les eaux de pré-rinçage en station d’épuration biologique.
Pour une laiterie traitant 1 million de litres de lait/jour, les pertes dans les eaux de “pousse” et de pré-rinçage sont évaluées à 20 000 L de lait, ce qui correspond à la pro duction en station d’épuration de près de 1,5 t de boues. Pour la France, on génère ainsi 10 000 à 50 000 tonnes de matières sèches par an. L'interdiction de l’épandage dans certaines régions, l’augmentation de la taxe des rejets, la non-valorisation alimen taire des eaux de “pousse”, amènent l’indus trie laitière à chercher des stratégies afin d'améliorer la qualité de l'eau rejetée et réduire la production de boues en station.
(Volume étudié, m³/j ; MES : Matières en suspension ; DCO : Demande Chimique en Oxygène ; DBO₅ : Demande Biologique en Oxygène à 5 jours ; NTK : Azote Kjeldahl ; P : Phosphore ; MG : Matière Grasse)
D'épuration, entre autres. En effet, en ce qui concerne le traitement aérobie par boues activées (bactéries aérobies, hétérotrophes) son point négatif est que le traitement des boues générées représente près de 60 % du coût total du traitement.
Des procédés épuratoires biologiques alliant une augmentation des rendements épura toires et de réduction des boues en excès se développent. Il s'agit de limiter la croissance de la biomasse tout en favorisant la biodé gradation de la DCO. De plus, différents tra vaux ont montré que les cultures mixtes de champignons/levures permettent d'obtenir une plus grande production d’enzymes res ponsables de la dégradation de la matière organique.
La société Aquaprox a pour but de dévelop per des souches de mycètes les mieux adap tées aux effluents d’industrie agroalimen taire afin de les traiter par bio-épuration. L’objectif est de remplacer une partie des bactéries présentes dans les bassins à boues activées par des mycètes en utilisant un bio réacteur peu énergivore permettant de les amplifier. Une fois les mycètes amplifiées, elles sont ajoutées directement dans le bas sin à boues activées. L’utilisation de mycètes permet une diminution des boues en excès puisque les mycètes consomment davantage de composés organiques diminuant ainsi la DCO et la DBO₅, elles permettent aussi de diminuer les odeurs désagréables.
La société Novamax, spécialisée dans le trai tement des gaz et des effluents liquides, en plus de l'utilisation de micro-organismes spécifiques utilise pour améliorer l’abatte ment de la DCO un réactif le LDC₁. On retrouve leurs installations sur les sites industriels de Rexam Reboul, Socoplan et Multisac pour un traitement de l'air respecti vement de débits de 60 000, 25 000 et 24 000 m³/h.
Généralités sur les champignons et levures
Les champignons appartiennent à un règne particulier à cause de leurs caractères cyto logiques :
- - absence de plastes, ce qui les éloigne des végétaux,
- - présence de parois de composition particu lière avec, entre autres, de la chitine.
Ces organismes sont en général résistants au pH acide, peuvent se développer à des températures basses (inférieures à 0 °C) et supportent souvent des activités de l’eau faibles dans des milieux ayant une forte pression osmotique. Ces particularités leur confèrent une forte compétitivité, notam ment avec les bactéries, et une capacité à se développer dans des conditions difficiles. Les champignons sont des organismes Euca ryotes. Dépourvus de chlorophylle, ils ne peuvent pas synthétiser leur matière orga nique. Ils doivent donc puiser dans le milieu ambiant l’eau et les substances organiques (composés carbonés azotés) et minérales nécessaires à leur développement et leur croissance : ils sont hétérotrophes et dégra dent donc la matière organique grâce à l’ex crétion d’enzymes et d’acides puis ils en absorbent les composés digérés au travers la paroi perméable de leur appareil végétatif. Les nutriments nécessaires à la croissance
de ces microorganismes sont les sources d'éléments majeurs (C, H, O, N), les sources d'éléments mineurs (P, K, S, Mg), les vitamines et les oligo-éléments.
Les champignons sont généralement classés en fonction de leur morphologie : cette classification permet de distinguer les champignons filamenteux et les levures.
Les champignons filamenteux sont multicellulaires et ont des gammes de développement en pH assez large (généralement compris entre 2 et 9) et sont capables de produire une grande variété d’enzymes hydrolytiques (lipases et protéases utiles dans la biodégradation d’effluents d'industries agroalimentaires). L’ensemble des filaments (ou hyphes) composant ces microorganismes est appelé mycélium. L’hyphe est la structure végétative basique de croissance des champignons filamenteux qui peut présenter des ramifications dont l’extrémité s’élargit pour donner des appressoria : structures intervenant dans la fixation des champignons (cette différentiation se fait au cours de la phase de reproduction). Le diamètre d'un hyphe peut aller de 3-4 μm à plus de 10 μm. L’hyphe contient des quantités variées de cytoplasme qui peut être synthétisé, dégradé et déplacé en fonction des conditions environnementales ou de la disponibilité des ressources nutritives.
Les champignons se multiplient par des spores formés à partir du mycélium qui sont des organes de résistance, sortes de graines microscopiques, servant à la propagation lorsqu’elles se détachent. En conditions favorables d’humidité les spores peuvent germer et redonner du mycélium qui pourra à son tour sporuler et contaminer un autre milieu.
Leur taux de croissance est généralement compris entre 0,1 et 0,35 h-¹ et leur temps de régénération est compris entre 2 et 6,9 heures.
Les levures sont unicellulaires, de formes ronde ou ovoïde et se multiplient par bourgeonnement. Les levures ne possèdent pas de véritables ramifications mycéliennes (forme filamenteuse) comme les champignons filamenteux, cependant certaines sont capables de former des pseudo-mycéliums (ex. : Galactomyces Geotrichum). Les levures ont des temps de régénération de 1 à 2 heures, des taux de croissance compris entre 0,34 et 0,65 h-¹ et résistent généralement à des pH très bas proche de 2.
Nous présentons plus en détail les 3 mycètes utilisés lors de cette étude.
Mucor hiemalis
Mucor hiemalis est une moisissure et plus exactement un zygomycète saprophyte de l'ordre des Mucorales, de la famille des Mucoraceae, se développant sur les aliments mais pouvant également causer, rarement des infections respiratoires chez l'homme. Ce champignon filamenteux est caractérisé par une croissance rapide et sa température optimale de croissance est de 32 °C. Il est aussi caractérisé par de longs filaments blancs cotonneux, similaires à des « poils de chat ».
Aspergillus niger
Aspergillus niger appartient aux champignons filamenteux de la classe des Hyphomycètes, et de la famille des Phialosporeae. Aspergillus colonise en 24 à 48 heures les milieux acides et en condition aérobie. Il se distingue par la présence de filaments hyalins (transparents comme du verre) cloisonnés, ramifiés, de diamètres constants voire à la présence de têtes aspergillaires (organes de reproduction asexuée).
Les colonies filamenteuses qui apparaissent poussent en hauteur. Elles sont plates et blanches. Elles se colorent en 3 à 4 jours en noir, vert jaune ou marron en son centre et prennent un aspect poudreux, broussailleux ou granuleux selon l'espèce. Leur revers incolore ou jaune au départ, peut rougir ou brunir avec le temps.
Galactomyces geotrichum
C’est une levure appartenant à l’espèce endomycète de la famille des Dipodascaceae. Galactomyces geotrichum est plus connu sous le nom de sa forme végétative : Geotrichum candidum. C’est une levure répandue dans la nature que l’on retrouve dans de nombreux aliments, notamment les produits laitiers (fromages). Elle peut également être présente dans le tube digestif de l'Homme ou des animaux en tant qu’espèce saprophyte.
Galactomyces geotrichum est une colonie à croissance rapide : colonisation du milieu en 48 h.
La température optimale de croissance de cette levure se situe entre 25 et 27 °C. Galactomyces geotrichum a une morphologie proche des champignons filamenteux : pousses blanches à crème, plates, à contours finement frangés et d’aspect duveteux.
Matériels et méthodes
Souches utilisées
Lors de toutes les manipulations, nous utiliserons un mélange de trois souches de champignons Aspergillus niger, Mucor hiemalis et Galactomyces geotrichum, fourni par la société Aquaprox. La référence commerciale est Aquaprox PL 4420 L 620442. La suspension de mycète est conditionnée dans un bidon opaque de 5 L sous forme d'un mélange liquide d’inoculum en présence d’un milieu nutritif.
Les conditions de culture Pour les essais d’amplification des mycètes, les cultures sont effectuées en béchers de 2 L contenant un volume utile Vu de milieu de culture et inoculé par 33 ml de mélange fongique Aquaprox par litre. Pour les essais sur la biodégradation des effluents, le milieu est inoculé avec 33 ml de champignons amplifiés ou non par litre de milieu. L'inoculum est amplifié soit sur lactosérum doux ou directement sur l'effluent lui-même durant une période donnée. Les différents milieux de culture sont incubés à température ambiante (Ta) et agités sur shaker rotatif. On travaille donc en milieu discontinu parfaitement agité. De l'air est insufflé en continu à l'aide d'une pompe d’aquarium, un diffuseur est ajouté afin d'avoir des fines bulles plus efficaces pour le transfert de l’oxygène. L'inoculation a lieu une fois que le milieu est saturé en oxygène dans les conditions opératoires. Aucune stérilisation des effluents n'a été effectuée afin de se rapprocher des conditions de terrain. De ce fait, il est important de réaliser un témoin afin d’étudier le comportement des bactéries endogènes. On part du même milieu de culture que l'on sépare en deux parties égales, l'une est inoculée mais pas l'autre. Les conditions de culture sont par ailleurs identiques. Analyses Pour toutes les mesures, on effectue un prélèvement de 50 ml. Durant le traitement, la croissance mycélienne est déduite de la différence des mesures turbidimétriques à 600 nm (spectrophotomètre UNICO 1100). En effet, on réalise une lecture sur l’échantillon brut (Aéchantillon) puis une centrifugation de 40 ml d’échantillon (centrifugeuse JOUAN R412) pendant 15 min à 4 000 tours/min et à 4 °C. On refait sur le surnageant une mesure de l'absorbance à 600 nm (Asurnageant). On a A = Aéchantillon – Asurnageant. L'évolution de la matière organique est suivie par la mesure de la DCO soluble qui est mesurée selon la méthode Hach, la lecture est effectuée au spectrophotomètre Hach DR/2010. Résultats Études du développement des mycètes Aquaprox sur lactosérum doux (Euroserum) à différentes concentrations en lactose : 5 ; 15 et 30 g L⁻¹. Dans un premier temps nous avons étudié le développement des champignons Aspergillus niger, Mucor hiemalis et Galactomyces geotrichum, dans une solution de lactosérum doux déshydraté. Compte tenu de sa concentration élevée en DCO (environ 7 g DCO L⁻¹) le lactosérum représente la majeure partie de la charge polluante émise (80 à 85 %) par les industries laitières. La concentration en lactosérum semble être un paramètre important dans le développement de la biomasse spécifique puisque la croissance des champignons augmente avec l’augmentation de la concentration en lactosérum (figure 1).ture ambiante dans des béchers agités et aérés. Dans chaque expérience, un témoin est réalisé sans inoculum afin d’étudier l’activité de la flore endogène.
Étude de la biodégradation d’un effluent d’industrie laitière, Entremont Alliance (22) (effluent A)
Nous avons étudié la biodégradabilité d'un effluent de l'industrie laitière Entremont Alliance. Les essais ont consisté à inoculer 1 litre d'effluent avec 33 ml de champignons Aquaprox amplifié ou non. Un essai témoin est réalisé en parallèle. Pour certains essais nous avons rajouté du LDC, afin d’étudier son influence sur l’abattement de la DCO soluble.
Le LDC a la particularité d’avoir un fort pouvoir tampon.
La figure 3 permet de préciser que la croissance des champignons sur cet effluent est possible.
On observe que, quel que soit les essais, la vitesse de dégradation de la DCO est maximale lorsque les mycètes sont en phase exponentielle de croissance.
Les essais avec des mycètes amplifiés donnent les meilleurs résultats. La figure 5 est intéressante car elle visualise bien le rôle de la flore endogène. En effet, on constate que le fait d’aérer et d’agiter l’effluent permet aux micro-organismes présents naturellement dans l’effluent de se développer. Toutefois l’ajout de mycètes amplifiés permet d’augmenter le rendement final de l'abattement de la DCO qui atteint environ 70 %.
Étude de la biodégradation d'un effluent de laiterie, Euroserum (70) (effluent B)
L’effluent testé provient d’une entreprise qui fabrique du lactosérum doux, ainsi l'effluent traité est très riche en matière organique mais aussi en éléments minéraux contrairement au cas précédent.
On travaille dans les mêmes conditions que précédemment et selon le même principe, le pH est ajusté à 7 puisque le pH de départ est de 3,5 sauf pour les essais contenant du LDC, à 3,5 g L⁻¹ puisqu’il joue son rôle de tampon. Le volume d’effluent est de 1 litre. Un témoin est réalisé à partir de l’effluent mais sans inoculation (T). L’essai EI correspond à l’essai inoculé avec les champignons non amplifiés.
Trois amplifications (de 65 h) sont réalisées :
- amplification sur lactosérum 5 g L⁻¹ de lactose (EA1)
- amplification sur effluent B (EA2)
- amplification sur effluent B après ajustement du pH à 7 avec du KOH 10 M (EA3)
Les échantillons ELA1, ELA2 et ELA3 correspondent aux essais où du LDC a été rajouté.
Les champignons se développent activement sur l'effluent étudié, contrairement aux essais réalisés sur l'effluent A. Ceci pourrait s'expliquer par le fait que l'effluent B est non seulement riche en lactose et en protéine, tout comme l'effluent A, mais aussi en matières minérales. Les vitesses de développement sont maximales pour les essais avec LDC, dès les premières heures de culture et ceci pour les différents essais amplifiés. On remarque qu’il est préférable en ce qui concerne la croissance d’amplifier au préalable les champignons sur l'effluent lui-même (figure 6).
Pour les essais sans LDC, il est préférable d’amplifier les mycètes sur l’effluent pour obtenir des rendements supérieurs (70 %), en ce qui concerne l'abattement de la DCO. Certes l'abattement de la DCO par la flore endogène est très élevé mais en fin de traitement, alors que pour les essais inoculés avec les champignons amplifiés sur l’effluent la DCO diminue dès les premières heures de traitement. Ainsi, l'utilisation d’une flore exogène spécifique Aquaprox permet de travailler avec des temps de séjour plus courts dans le bassin biologique de la station de traitement des effluents.
Conclusion
L’objet de cette étude est d’améliorer le traitement d’effluents de l'industrie laitière à partir de mycètes de la société Aquaprox. Après des essais de laboratoire qui nous ont permis de définir les conditions optimales de croissance, le traitement de deux effluents industriels a été testé. Les résultats montrent que les champignons spécifiques se développent et dégradent la DCO jusqu’à obtenir des rendements de 70 %. Il est préférable d’amplifier les champignons sur l’effluent lui-même afin de les adapter au substrat carboné avant l’étape de biotraitement.
La présence d’un garnissage le LDC (Novamax) permet d’augmenter les rendements de biodégradation sans influencer sur la multiplication cellulaire et permet de maintenir le pH par son effet tampon. La présence de sels minéraux dans l’effluent à traiter joue un rôle prépondérant dans le développement des mycètes Aquaprox et l’abattement de la DCO.
La mise en commun de deux procédés, l’utilisation de champignons spécifiques Aquaprox amplifiés sur l’effluent lui-même et le garnissage LDC de la société Novamax, permet de traiter les effluents de l’industrie laitière sans une augmentation excessive des boues.
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