Effets de la digestion anaérobie sur les micropolluants et germes ...

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  • Effets de la digestion anarobie sur les micropolluantset germes pathognes

    Christian Couturier

    SOLAGRO, 2 Juillet 2002

    Le retour au sol de la matire organique desdchets et sous-produits dorigine urbaine,industrielle ou agricole (sous forme de composts,boues, l isiers, granuls), participe au bouclage des cycles du carbone et desminraux. Ce bouclage du cycle des matiresorganiques est indispensable pour rduire lespollutions et les besoins en nergie. En effet :

    Il maintient les teneurs en humus et la quantit decarbone stocke dans les sols.

    Il rduit (directement ou indirectement) les besoinsen engrais minraux, dont la production estparticulirement nergivore, et les rejets dazote etdes minraux dans leau et lair,

    Cependant, les dchets organiques sontpotentiellement contamins par diffrents polluantsorganiques ou mtalliques (acides organiques,hydrocarbures et drivs, pesticides, cadmium,).Ces contaminants rsultent de lutilisation deproduits divers au long de la chane de production ettransformation des produits que nous consommons,ou du mlange des dchets organiques avec desdchets non organiques (par exemple dans lespoubelles ou le tout--lgout)1. Les dchetsorganiques contiennent galement des bactries,virus ou parasites dont certains sont pathognespour lhomme, les animaux ou les vgtaux.

    Diffrentes stratgies permettent dassurer le retourau sol des matires organiques tout enmatrisant les risques sur lenvironnement et lasant. Il conviendrait en premier lieu, de gnraliserle recours la source de produits et procdspropres ; en second lieu, de sparer les flux enfonction de leur nature2, ensuite, de donner laprfrence aux traitements qui transforment lesmolcules polluantes contenus dans les dchets encomposs inoffensifs, ou qui permettent de lesisoler. Cest ce stade quintervient lamthanisation. Son action est reconnue pour cequi concerne la rduction des pollutions organiques,des odeurs et nuisances, ainsi que pour son intrtsur le plan nergtique. Elle est moins connue pour

    1 Les susbstrats organiques ne produisent pas de polluants :ils ne sont que des vecteurs et non des sources de pollutions. Onsait que lune des principales sources de Cadmium en Franceprovient de lutilisation de phosphates minraux. En supprimantla source (recyclage des phosphates), on arrte laccumulation.2 Par exemple par la collecte sparative des dchets mnagersspciaux.

    ses effets sur les micropolluants et les germespathognes.

    Cet article donne un tat des connaissance de ceseffets, partir dune tude bibliographique ralisesous la direction de SOLAGRO pour le compte delADEME en 19993, et de publications plus rcentes.Il ressort de ces travaux, prsents ci-aprs, que ladigestion anarobie ou mthanisation :

    Dgrade ou transforme en composs non oupeu toxiques la plupart des compossaliphatiques ou monoaromatiques, halogns. Lescomposs polycycliques plus rsistants forment engnral des composs moins toxiques.

    Fixe les mtaux lourds sous des formesinassimilables et non toxiques par les organismesvivants.

    Rduit de 100 10.000 les concentrations enbactries, virus et pathognes.

    Les micropolluants organiques4

    Dgradation des micropolluants organiques

    La plupart des hydrocarbures aliphatiques5 sontbiodgradables par fermentation anarobie. Cest lecas bien entendu des acides organiques,aldhydes, alcools, amines, ctones, esters Cestaussi le cas des aromatiques monocycliques6.Ainsi, les micro-organismes prsents dans lesboues urbaines sont capables de dgraderentirement lacide benzoque et les compossphnoliques en mthane et gaz carbonique.

    Les micropolluants halogns aliphatiques7 etmono-aromatiques8 sont dgrads par digestionanarobie, par des mcanismes biologiques (lesplus rpandus), ou chimiques, et parfois les deux(cas des composs du brome par exemple). Leshalogns possdant 1 2 atomes de carbones

    3 Le devenir des agents de dangers au cours de la digestionanarobie , ADEME - 1999. C. Couturier, L. Galtier(SOLAGRO), P. Pouech (ARM), H. Brugre, L. Marache (EcoleNationale Vtrinaire de Toulouse), M. Kaemmerer (EcoleNationale Agronomique de Toulouse).4 Molcules composes de chanes datomes de carbone etdhydrogne, combins avec des atomes doxygne, dazote, desoufre, ou datomes halogns (chlore, fluor).5 chanes non cycliques.6 benzne, tolune, benzoates, benzaldhydes, phnols,phtalates, nitrobenzne 7 composs de synthse, toxiques voire cancrignes8 qui entrent par exemple dans la composition des pesticides.Toxiques, gnotoxiques

  • Effets de la digestion anarobie sur les micropolluants et germes pathognes p. 2/5 - Christian Couturier SOLAGRO, 2 Juillet 2002

    sont biodgradables 90 % par fermentationanarobie en quelques jours. Ils sont transformsen mthane et gaz carbonique, et en chloreionique9.

    Les hydrocarbures poycycliques aromatiques(HPA) et leurs avatars halogns (notamment lespesticides, PCB et dioxines) sont plus toxiques etpersistants. Ils rsistent galement mieux ladigestion anarobie10.

    Les HPA halogns subissentg n r a l e m e n t l adhalognation rdutrice,avec le plus souvent formationde composs moins riches enatomes halogns, plus oumoins biodgradables, et plusou moins toxiques. Certainss o n t totalementbiodgradables en quelques dizaines de jours.Daures, comme le DDT et le Lindane convertisrespectivement en DDD et ttrachlorocyclohexane,aboutissent des composs moins toxiques. Ladgradation anarobie de la dioxine 2,3,7,8-ttraCDD, a t tudie dans des sdiments. Elleest transforme en une autre dioxine, la 2-monoCDD, dont limpact environnemental nest pasdmontr11. Une tude franaise rcente confirmeque les HPA peuvent tre dgrads par digestionanarobie : 50 % pour le fluoranthne par exemple.

    Phnomnes en jeu

    La dgradation des composs halogns se droulesouvent en plusieurs phases : aprs une premiretape de d-halognation, le produit intermdiaireest son tour dgrad en molcule simple (parexemple de lactate), puis ensuite en biogaz12.Dans dautres cas, la conversion nest pascomplte13. La dgradation dpend du t e m p sdaccl imatat ion des bactries capables de

    9 Par exemple, la biodgradation de 1,2 dichlorothane : C2H4Cl2+ 3/2 H2O 3/4 CO2 + 5/4 CH4 + 2 H+ + 2 Cl-

    10 Une exprience montre que 3 composs sur 14 tests ont tsignificativement rduits par voie anarobie. Le phnomne enjeu est ici chimique. La non dgradabilit nest pas imputable un problme de dure dacclimatation. Une autre exprienceconclu la dgradation de lanthracne et du pyrne en 20 72heures, selon des voies biologiques. Ces rsultats contradictoiresne permettent donc pas de conclure de faon univoque quant audevenir de ces composs en digestion anarobie.11 Il se pourrait toutefois que les composs noforms aientdautres effets toxiques que la molcule de dpart, et enparticulier des effets mutagnes12 Le 3-CBA (acide 3-chlorobenzoque), molcule prsente aussibien dans les boues urbaines papetires que dans les lixiviats dedcharge, est dgrade dabord en chlore ionique et acidebenzoque. Lacide benzoque son tour est transform enactate, hydrogne et gaz carbonique. Suivent enfin les voiesclassiques de mthanognse qui transforment ces compossen mthane et gaz carbonique13 Le ttrachlorthylne perd un atome de chlore et esttransform en trichlorthylne. Les chlorophnols sonttransforms en mthane, gaz carbonique, 4-chlorophnol etphnol

    transformer le compos en question14.

    Les phnomnes en jeu sont les suivants :

    Dabord une dhalognation rductrice, qui aboutit la formation dun compos non (ou moins)halogn

    Ensuite, dans le cas de composs monocycliques,une rupture du noyau aromatique qui gnre des

    composs alphatiques

    Ces composs sontensuite dgrads par lesmcanismes classiquesde la mthanognse

    On pense que les deuxpremiers mcanismessont biologiques pluttque chimiques. Lesbactries mthanognes

    sont riches en cofacteurs mtalliques rducteurs etpourraient catalyser les ractions d edchlorination rductive en milieu anarobie.

    En conclusion, la digestion anarobie dgrade outransforme en composs non ou peu toxiques laplupart des composs aliphatiques oumonoaromatiques, halogns ou non, sous rservedune dure de digestion suffisante pour permettrelacclimatation des bactries. Les composspolycycliques sont plus rsistants et partiellementdgrads. Ils perdent une partie de leurs atomeshalognes et forment en gnral des compossmoins toxiques.

    En milieu arobie, certains composs aromatiqueshalogns ont tendance polymriser, et lesmolcules ainsi formes sont rsistantes touteautre attaque bactrienne. Cependant, certainesexpriences montrent que les mcanismes arobiespeuvent attaquer des molcules qui ne sont pasbiodgradables par voie anarobie. Do lintrt depoursuivre un traitement anarobie par un post-traitement arobie (ou de le faire prcder dunpr-traitement arobie), pratiques dailleursfrquentes : maturation du digestat de biodchetsmunicipaux, finition arobie du traitement deffluentsindustriels, compostage de boues urbainesdigres.

    Effet des micropolluants organiques sur lesphnomnes de fermentation

    La prsence de micropolluants organiques peutthoriquement inhiber la digestion soit parmodification du milieu (pH, potentiel rdox) soit paraction directe sur lactivit microbiologique. Aucuncas dinhibition na t mis en vidence, les seuilsdinhibition sont plus levs que les concentrationsrencontres pour les boues15. Si ncessaire, on peut

    14 Le temps ncessaire pour dgrader le 3,4 et 3,5 chlorophnolpasse de 6 semaines 14 jours lorsque les bactries sontacclimates. Dans le cas du 4-chlorophnol, cette dure passede 16 semaines 8, dure cependant suprieure au temps desjour habituel dans un digesteur.

    Dhalognation puis rupture du cyclebenznique: Lindane, DDT, Dioxine,fluoranthne, sont dtruits par lactionmicrobiologique et les conditionschimiques propres aux conditionsanarobies.

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    recourir des pr-traitements pour diminuer lepouvoir toxique de ces composants16.

    Les micropolluants mtalliques17Spciation des micropolluants mtalliques

    La toxicit des mtaux, et notamment des mtauxlourds, est li non seulement leur concentration,mais aussi et surtout la forme (ou spciation )dans laquelle ils se trouvent. Seule la forme libre dumtal comporte un risque de toxicit, et laconcentration en mtaux solubles nestgnralement que de 0,5 4 % de la concentrationtotale en mtaux. La digestion anarobie ne dtruitpas les mtaux, mais elle modifie leur spciationpar diffrents mcanismes chimiques et, surtout,biologiques : adsorption par chimiesorption,prcipitation chimique ou biologique, complexationintracellulaire ou extracellulaire sur des compossorganiques ou inorganiques.

    Phnomnes en jeu

    Les ions sulfures sont lep r i n c i p a l a g e n tprcipitant chimique desmtaux, qui conduit laformation de sulfatesm t a l l i q u e s n o ns o l u b l e s . Lescarbonates conduisent aussi des prcipits. Laprcipitation peut galement tre doriginebiologique : elle est alors lie la production desulfures par les enzymes bactriennes18, ce quiconduit la prcipitation de mtaux la surfacecellulaire.

    La complexation rsulte dun change de cationsmtalliques avec des protons (H+). Elle peutsoprer lextrieur des cellules, sur des molculesorganiques comme inorganiques, ou lintrieur descellules. Notamment, les molcules extracellulairesde haut poids molculaire synthtises par lesbactries19 prsentent de nombreux sitesdisponibles. La matire organique forme ainsi descomplexes avec les mtaux20.

    Ladsorption des mtaux la surface des cellulesserait due un mcanisme de chimiesorption pardes groupements fonctionnels dacides organiques.Son importance est lie la quantit de matiresolide prsente, et au degr daffinit de chaque

    15 le seuil dinhibition par 2-chlorohnol est suprieur 100 mg/l.16 par exemple par oxydation chimique, ozonisation, etc.17 On parle aussi dElements-Trace (ET),18 sulfates rductases contenues dans la membrane cellulaire19 polysacchardes, protines, acide ribonuclique20 99 % du Cuivre sera fix par la matire organique lors de lamthanisation, le Cuivre restant sera principalement sous formechlore (CuCl) ou hydroxyle (Cu(OH)x).

    mtal21.

    Dautres mcanismes sont susceptibles dintervenirlors de la mthanisation, sans que leur importancenait t pour le moment clairement dmontre,comme la biomthylation, lexocytose, le rle desplasmides.

    La biomthylation consiste fixer un ionmtallique22 par un groupement mthyl. Il sagit dunprocessus de dtoxification, peu tudi en digesteuranarobie. Le mcanisme de lexocytose, connupour de nombreux mtaux23, est bas sur lasynthse de biopolymres par les cellules, capablesde piger les mtaux dans les vacuoles. Dans unsecond temps, ces polymres assurent le transportdes mtaux hors de la cellule. Enfin, on a dmontrlexistence de plasmides dans au moins 3 bactriesmthanognes : elles assurent une meilleurersistance cellulaire la toxicit dans le cas dunstress engendr par la prsence de mtaux.

    Effet des micropolluants mtalliques sur lesphnomnes de fermentation

    A forte concentration, lesmicropolluants mtalliquespeuvent tre toxiques pour labiomasse microbienne etd o n c i n h i b e r l afermentation24. Les seuilsdinhibition sont plus levsavec des substrats rels

    quen cultures pures utilises en laboratoire25, du faitdes nombreux mcanismes qui conduisent rduirela teneur en mtaux sous forme soluble.

    Le mode dalimentation du digesteur joue galementun rle important : une alimentation pulse estplus sensible quune alimentation progressive. Lespopulations bactriennes sont en effet capables desacclimater des concentrations plus leves,sous rserve dun temps de sjour suffisant. Enoutre, linhibition est rversible : les mtaux ont uneffet bactriostatique et non bactricide. On noteraenfin que les fermentations thermophiles sontgnralement plus sensibles aux risques dinhibitionque les fermentations msophiles.

    Par ailleurs, les lments mtalliques nont pas quedes effets ngatifs, puisquun certain nombre dentreeux sont essentiels au droulement des ractionsenzymatiques, car ils entrent dans la composition delenzyme en tant que cofacteurs mtalliques26.

    21 de la plus forte la moins forte affinit : plomb > cuivre >cadmium > fer, zinc ou nickel22 mercure, plomb, arsenic, chrome, tain23 cuivre, zinc, fer, nickel, cobalt, cadmium, mercure24 Des tests ont montr que le nickel est inhibiteur 10 mg/l, lecuivre 40 mg, le chrome hexavalent 130 mg/l25 le seuil dinhibition passe de 200 mg/l pour le chrome pour unTRH de 17 jours, 300 mg pour un TRH de 21 jours26 comme le Fer, le Nickel, le Cobalt

    Les mtaux lourds sont fixs sous desformes inassimilables par les organismesvivants, principalement sous formes desulfures insolubles.

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    En sortie de digestion, la majeure partie des mtauxsont contenus dans la fraction insoluble desboues, et notamment dans le milieu intracellulaire27.Pour la majorit des espces, trs peu se retrouventsous forme biodisponible dans la fraction soluble.

    Les germes pathognesVirus, bactries, parasites, champignons : le risqueinfectieux est li trotement la dose subie, cest--dire la quantit de microorganismes en relationavec lhte potentiel humain, animal, plante. Letraitement vise rduire lexposition en liminant ouinactivant les organismes pathognes28.

    Elimination des pathognes

    Lessentiel des travaux de recherche sur le devenirdes pathognes au cours de la digestion anarobie,porte sur ceux qui sont susceptibles daffecterlhomme et les animaux.

    Les principaux paramtres dlimination des agentspathognes sont le temps et la temprature.

    Globalement, la digestion msophile classique(autour de 37C) permetdliminer en ordre degrandeur 99 % desgermes pa thognes(facteur 100), et lad igest ion thermophile(autour de 55C) 99,99 %(facteur de rduction de10.000)29.

    Cependant, ces termes recouvrent des plages detemprature large : ainsi la zone msophile estsouvent comprise au sens large, parfois partir de25C, do des rsultats pouvant tre trs variablesau sein de la zone dite msophile.

    On peut observer galement de grandes disparitsdans lefficacit rapporte au temps de sjour. Lanotion habituellement utilie est le temps dertention hydraulique (TRH), dure moyenne desjour du susbstrat dans le digesteur. Dans la

    27 une tude montre que 90 % des mtaux se retrouvent au seinde particules de plus de 100 microns. Dautres travaux montrentque Cuivre, Nickel, Zinc et Mercure se retrouvent 99,5 99,8dans la phase solide, et 75 % pour le chrome.28 La pathognicit est la capacit pour un microorganismedinduire une maladie, cest- dire tre en mesure de simplanter,se multiplier chez lhte et produire des troubles. Elle dpend enpremier lieu du degr dexposition : il faut mettre en relation unhte sensible et une dose suffisante dagent pathogne. Lapathognicit propre chaque agent dpendra donc decaractres intrinsques - dure de survie, possibilit de semultiplier, existence dhte intermdiaire, de formes dersistances ou extrinsques - milieux de vie rencontrs, chargeen pathognes.29 Les streptocoques fcaux sont ainsi rduits de 4 log10 (cest dire de 99,99 %) en thermophile, contre 1 2 log 10 enmsophile (soit 90 99 %).

    pratique, les cheminements prfrentiels conduisent extraire des produits qui ont sjourn plus oumoins longtemps que la dure moyenne. Do lerecours la notion de temps de rtentionminimum garanti (TRMG), dure minimale desjour30, plus reprsentative que le TRH en termesde rduction des agents pathognes.

    Les agents pathognes les plus rsistants sont lesclostridium et les bacillus cereus, qui rsistent ladigestion thermophile, ainsi que les entrovirus etparvovirus qui rsistent la digestion msophile.Rsistent galement certaines formes sporules,que lon trouve cependant largement ltat naturel.

    Il nexiste semble-t-il pas encore de rsultats derecherche sur llimination du prion. Dans ltatactuel des connaissances, on ne peut pasconsidrer que la mthanisation permette untraitement final des dchets animaux haut risque :elle peut nanmoins tre employe commeprtraitement permettant de rduire et assainir lesdchets avant traitement final.

    Phnomnes en jeu

    Dautres facteurs, comme la concentration enmatires sches, en azote, en acides gras volatiles,

    ou le pH, peuvent intervenir.Pour les virus, le pH li laugmentation de la teneuren ammoniac pourrait jouerun rle31. De mme,concentration en AGV,condition de pH et absencedoxygne, seraient fatals

    aux oocystes.

    Le taux de rduction dpend de nombreux autresparamtres intervenant dans la pratique :concentration initiale en agent pathogne, modedalimentation du digesteur, comptition avec lesautres micoorganismes.

    Il existe peu de travaux sur le devenir desphytopathognes, susceptibles de parasiter lesplantes. Les rares rsultats disponibles sont trssat is fa isants : le Fusar ium oxysporum(champignon), le Corinobacterium michiganense(bactrie) et le Globodera pallida (nmatode) sonttotalement limins 35C en respectivement 4, 7et 10 jours.

    Matrise de la temprature et des temps desjour

    La mthanisation rduit donc significativement laconcentration en germes pathognes. Le fait dedisposer dun gaz combustible stockable offre en

    30 Lorsquun digesteur est aliment 1 fois par jour, par exemple,le TRMG est de 24 heures. De mme, en digesteur piston , letemps minimum de sjour se rapproche de la dure moyenne, cequi nest pas le cas avec les digesteurs infiniment mlangs31 par exemple lagent dlimination de F2 Coliphage seraitlammoniac

    Division par 100 10.000 des quantitsde virus, bactries et parasites:lefficacit dpend avant tout de latemprature, paramtre matrisable grce lutilisation du biogaz.

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    outre deux avantages fondamentaux.

    Le maintien de la temprature de consigne estassur par le chauffage du digesteur, isolthermiquement, et peut donc tre assur de faontotalemet fiable, indpendamment des processusmicrobiologiques. Dans les procds arobies(compostage), le niveau de temprature dpenddirectement des processus microbiologiques, etsont affects par les conditions climatiques, ce quincessite une parfaite matrise du processus(homognisation, tempratures en surface), et unsuivi attentif.

    Si une hyginisation plus pousse est ncessaire, ilest possible dutiliser le biogaz pour pasteuriserle substrat, sans dpenses supplmentaires defonctionnement. La pasteurisation peut interveniravant ou aprs digestion : la premire solutionpourrait tre plus approprie, dans la mesure o ladigestion favorise le dveloppement dunepopulation microbiologique susceptible dentrer encomptition avec les agents pathognes.

    ConclusionLa mthanisation prsente plusieurs atoutsfondamentaux, lis :

    A la puissance des mcanismes biologiquesmis en jeu, qui assurent un taux de dgradationlev de la matire organique, y comprissynthtique (composs organiques volatils)

    Aux conditions chimiques particulires delanarobiose (milieu rducteur, productiondhydrogne sulfur, dammoniac) quiinterviennent directement dans les mcanismeschimiques ou biologiques (dhalognationrductr ice, prcip i tat ion des sul furesmtalliques)

    Au fait de travailler en racteur ferm, qui limiteles risques dexposition aux micropolluantsorganiques et germes pathognes, et permetdassurer une temprature homogne etconstante.

    A la disponibilit en nergie, qui permet decontrler les tempratres sans contraintesconomiques ou mtorologiques, et de mettre enuvre des traitements complmentaires(pasteurisation, schage thermique).

    La mthanisation permet dobtenir des taux levsdlimination des polluants organiques et desgermes pahtognes. Les hydrocarburesaromatiques polycycliques sont partiellementdgrads, les quantits rsiduelles sont fixes lamatire solide, avec une trs faible sortie vers laphase liquide. Les micropolluants mtalliques nesont pas limins mais fixs dans la fraction solidesous une forme non biodisponible.

    La digestion thermophile est considre commeun traitement hyginisant des produits haute

    concentration en agents pathognes. La digestionmsophile convient pour des produits peucontamins, mais elle peut tre complte par destraitements hyginisants (pasteurisation, post-compostage) si ncessaire.

    La mthanisation constitue donc une rponseadapte pour le retour au sol des dchetspotentiellement contamins par des micropolluantsorganiques et les organismes pathognes.

    Bibliographie rapide

    Dosier documentaire Les boues dpurationmunicipales et leur utilisation en agriculture ,ADEME, Janvier 2001, rf. 3832 - ISBN 2-86817-561-9, www.ademe.fr

    Les dossiers du Club Atout Bous, par EmmanuelAdler : perso.wanadoo.fr/atout.boues/

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