Conception d'un bioréacteur à lit mobile pour le traitement biologique des effluents des laiteries

Deux effluents modèles de l'industrie laitière à base de lait UHT et pasteurisé sont testés. Le contrôle via les paramètres physico-chimiques (pH, conductivité et température) et les paramètres de la dépollution (DCO, MES, dosage d’azote et du phosphore) montre que l’intégration des écailles de poissons dans les procédés biologiques est une piste très prometteuse pour améliorer les rendements des stations d’épuration des effluents de l'industrie laitière.

De nombreux sous-produits de l'industrie alimentaire sont rejetés dans la nature et constituent de ce fait un facteur de pollution de par leur grande quantité. L'industrie laitière génère des pollutions assez considérables, mais la part la plus importante est constituée de ses effluents liquides, une telle situation pousse à envisager des solutions [1-2]. L'épuration par voie biologique constitue un moyen écologique qui présente une tendance de plus en plus accrue [3-4], mais demeure malheureusement mieux appropriée pour des eaux usées domestiques. Le but de ce travail est d’utiliser une nouvelle méthode pour adapter au maximum ce procédé au cas des rejets liquides de l'industrie laitière dans les bioréacteurs à lit mobile. L'idée est d'utiliser les écailles de sardine comme support solide de biomasse dans le bioréacteur en présence ou en absence de souches spécifiques.

Matériels et méthodes

Modèle biologique

L'étape la plus importante dans le traitement biologique des effluents est le choix d'un microorganisme ou d'un consortium d'organismes qui devra conserver ses activités métaboliques, même dans les situations hostiles [5].

Coulibaly et al. (2003) ont montré que les champignons avaient de nombreuses potentialités pour la dégradation de nombreux polluants organiques et inorganiques. Les espèces d’Aspergillus, notamment l'Aspergillus niger, sont très utili-

Mots-clés : écailles de sardines, procédé biologique, bioréacteur à lit mobile, effluents liquides, industrie laitière

…usés en fermentation industrielle [5]. Cependant, ce champignon peut supporter les stress de certains polluants organiques (phénol, détergent) [7]. D'où l'isolement et l'utilisation de l’A. niger comme modèle biologique pour mener cette étude. Sa croissance est déduite de la différence des mesures turbidimétriques à 600 nm [2]. Les taux de croissance des souches d’Aspergillus niger utilisés dans cette étude sont de l’ordre de 0,2 h⁻¹ (temps de doublement de 3 à 4 h).

Biomatériau

L’aspect innovant de cette étude est l’application d’un déchet solide (écailles de poisson de l’espèce Sardina pilchardus) comme support d’adhésion pour l’A. niger. Les écailles de sardine sont des lamelles cornées, minces, flexibles et translucides, et présentent une certaine diversité de forme [9]. On distingue deux types principaux :

• - écailles grandes à bord subrectiligne de forme quadrangulaire ;
• - écailles petites à bord arrondi, cordiforme.

Cette deuxième catégorie a été utilisée pour mener cette étude.

Les écailles de poisson ont été recueillies et lavées à plusieurs reprises dans l’eau chaude, puis séchées pendant une nuit à 60 °C et stockées à température ambiante.

Conditions de culture

Pour chaque culture fongique, deux cultures successives sur gélose LB sont réalisées. L’incubation est effectuée pendant 72 h à 27 °C. Une culture liquide d’Aspergillus niger est préparée en ensemencent 100 ml de LB liquide, ensuite incubée 72 h à 27 °C. Les cellules sont récupérées par centrifugation (4 800 g, 20 min) puis lavées trois fois par l’effluent artificiel.

Pour comparer les résultats des paramètres de dépollution et évaluer l’effet du biomatériau, deux bioréacteurs identiques sont utilisés en parallèle. Le même effluent est partagé à chaque fois que sa composition est modifiée ; l’un des deux seulement contiendra le biomatériau à tester.

Les effluents testés sont préparés à partir du lait commercial UHT (effluent 1) ou pasteurisé (effluent 2) dilués 50 fois. L’ensemencement par A. niger se fait uniquement pour l’effluent préparé à base de lait UHT afin d’apporter la flore microbienne capable de dégrader la pollution. La dégradation organique de l’effluent à base de lait pasteurisé est assurée par la flore endogène du lait.

Tableau 1 : Résumé des tests expérimentaux menés dans les différentes expériences (– : absence, + : présence)

Tests de dépollution

Les tests sont menés dans un pilote conçu spécialement pour cette étude. Il s’agit d’un bioréacteur à lit mobile où l’homogénéisation est assurée par une pompe hydraulique faisant circuler l’effluent depuis la base du bioréacteur vers la surface. Les expériences sont menées à température ambiante, température contrôlée régulièrement par un thermomètre. L’aération est assurée par de l’air filtré insufflé en continu par une pompe.

Analyses physico-chimiques

Le pH est mesuré à l’aide d’un pH-mètre (Fisher Scientific, Basic AB15). La température et la conductivité sont déterminées in situ directement après le prélèvement à l’aide d’un conductimètre (Hanna Instruments, EC215) muni d’une sonde précise. L’azote total est déterminé suivant la méthode Kjeldahl [10]. La DCO est déterminée par oxydation en milieu acide par excès de dichromate de potassium à 148 °C des matières oxydables, en présence de sulfate d’argent comme catalyseur.

sulfate de mercure [11]. Les matières en suspension sont déterminées par filtration d’un volume d’eau usée sur filtres cellulosiques (de 0,45 µm) [12]. Le phosphore est déterminé par la méthode colorimétrique par complexe phosphomolybdique [13].

Résultats et interprétations

Croissance des champignons

D’après la figure 2 on remarque que A. niger se développe activement sur l’effluent en présence de BM (figure 2). Ceci pourrait s’expliquer par le rôle que joue ce dernier en tant que support d’adhésion, ce qui accélère la vitesse de développement durant les premières heures de culture.

Évolution de la température

La figure 3 montre des variations de la température. Les valeurs de la température augmentent au cours du temps avec un maximum enregistré après 24 h de traitement, ne dépassant pas 30 °C pour les deux effluents, avec et sans BM. On remarque qu’en présence du BM, l’évolution de la température est plus importante, ce qui indique que sa présence permet vraisemblablement d’améliorer la biodégradation de la matière organique par l’augmentation de la probabilité de rencontre entre polluants et microorganismes, grâce à l’agitation thermique et au mouvement brownien [14].

Évolution du pH

D’après les résultats de suivi du pH pendant la période d’étude, présentés dans la figure 4, on observe que le pH des deux effluents varie de la neutralité à l’acidité après 24 h. Ceci s’explique par la production d’acide citrique et gluconique par A. niger durant son métabolisme de croissance et de multiplication [15].

Les résultats de la variation du pH semblent être bien corrélés avec ceux de l’évolution de la température et, une nouvelle fois, la présence du BM semble être bénéfique à la biodégradation de la matière organique.

Évolution de la conductivité

La conductivité est le paramètre qui renseigne sur la quantité d’électrolytes présents dans une solution ou, en général, sur la quantité de sels. Dans le cas de notre effluent, on ne peut avoir qu’une conductivité élevée à cause des ions NH₄⁺, COO⁻ (produits de la dégradation des acides aminés). D’après la figure, la conductivité est beaucoup plus élevée en présence de biomatériau dans les deux types d’effluent (figure 5). Ceci montre l’effet du biomatériau sur la croissance des microorganismes et, par conséquent, la dégradation organique. De plus, la température et la conductivité sont deux paramètres en étroite relation : en effet, l’augmentation de la température entraîne souvent une augmentation de la conductivité [16].

Évolution de la matière en suspension

D’après les résultats de l’évolution de la MES (figure 6), une augmentation remarquable est enregistrée pour l’effluent 1 pendant la durée d’observation. Tandis que pour le deuxième effluent, le taux de la MES a diminué pour atteindre 0,83 g / l après 24 h d’épuration.

Généralement, le taux de la MES diminue au cours du temps de traitement. D'après les résultats, on note que la MES des eaux usées augmente avec le temps, et ceci peut être traduit par une adhésion massive des microorganismes sur les parois des bioréacteurs due à des propriétés spécifiques de la biomasse. Lorsque cette matière se détache, une augmentation brutale de MES est observée [10].

Par contre, on constate que la MES diminue lors du traitement de l'effluent 2, probablement par différence de nature de souche épuratrice.

Tableau 2 : Evolution de la DCO dans l’effluent 1 et l’effluent 2 avec et sans présence de biomatériau (BM)

Evolution de la DCO

D’après le tableau 2, on remarque qu’en présence du biomatériau, l’abattement de la DCO est plus important.

Evolution de l’azote total

L’azote présent dans l’eau usée peut avoir une forme organique ou minérale. L’azote organique est principalement un constituant des protéines, des polypeptides et des acides aminés. L’azote minéral comprend l’ammonium (NH4+), les nitrites (NO2−) et les nitrates (NO3−) et constitue la majeure partie de l’azote total [14].

La comparaison entre ces valeurs (tableau 3) permet de déduire que la diminution de NTK est plus importante au bout de 24 h en présence de BM quel que soit le type d’effluent.

Evolution du phosphore

Les composés phosphorés existent dans les eaux naturelles et les eaux usées sous différentes formes à savoir les orthophosphates solubles, les phosphates hydrosolubles et les dérivés organophosphorés [12]. Les teneurs enregistrées en orthophosphates présentent une variation assez considérable au cours de prélèvement effectué.

Le traitement des effluents en présence de BM permet un abattement meilleur du phosphore (figure 7). L’effet du BM est plus considérable dans le cas de l’effluent 2.

Tableau 3 : Taux d’abattement de la NTK

L’agitation est nécessaire pour maintenir la concentration en oxygène dissous et elle a permis de décrocher le biofilm formé sur la paroi du réacteur et de modifier l’organisation de la biomasse en dispersant les flocs. Cette meilleure homogénéisation du milieu, associée à une augmentation des transferts de masse, a contribué à améliorer la vitesse de dégradation de la pollution et ceci est démontré par l’évolution des paramètres de dépollution en termes de performances d’abattement de la DCO, de NTK et du phosphore enregistrés au cours de l’étude. Le tableau 4 présente l’évolution de l’abattement de la DCO des effluents 1 et 2 en présence du biomatériau BM (écailles de sardines).

Tableau 4 : Evolution de l’abattement de la DCO de cette étude dans l’effluent 1 et l’effluent 2 en présence du biomatériau BM (écailles de sardines)

Discussion

A. niger étudié a la possibilité d’utiliser le substrat carboné (lactose) contenu dans l’effluent synthétique pour se développer ; la multiplication des champignons est remarquable en présence de BM utilisé comme support d’adhésion, ce qui explique l’augmentation de la température après 24 h suite aux mouvements browniens des microorganismes [14]. Ceci entraîne également une élévation de la conductivité [16]. La variation du pH doit correspondre à l’activation du métabolisme des champignons qui induit une acidification puis à l’assimilation de composés organiques acides, se traduisant par une remontée du pH à une valeur voisine de la neutralité.

L’interprétation de ces résultats nécessite de les confronter aux valeurs trouvées dans d’autres études. Le tableau 5 présente l’évolution de l’abattement de la DCO par le traitement biologique d’un même type d’effluent dans un réacteur en culture batch, en présence d’A. niger amplifiés ou non sur lactosérum, et pendant des temps équivalents.

La comparaison des résultats d’abattement de la DCO de l’effluent 1 (à base de lait UHT et inoculé par A. niger) après 24 h de traitement, avec ceux trouvés par Djelal et al. (2007) même après 40 h de traitement, montre que les rendements de la présente étude sont meilleurs. En effet, l’abattement a atteint 58 % après 24 h de traitement (tableau 4) contre uniquement 30,1 % pour le témoin, 38 % pour l’effluent inoculé avec les champignons non amplifiés et 28,5 % pour l’effluent inoculé avec les champignons amplifiés sur lactosérum (tableau 5).

Tableau 5 : Évolution de l’abattement de la DCO dans un réacteur en culture batch, en présence d’A. niger amplifiés ou non sur lactosérum [2]

Pareil pour l’effluent 2 préparé à partir du lait pasteurisé (qui ne contient que la flore endogène), les résultats obtenus sont meilleurs en termes de temps par rapport au rendement d’abattement de la DCO ; le pourcentage d’abattement atteint 62,8 % après 24 h. Au niveau du même effluent traité, Castillo et al. (2005) ont rapporté 88 % de dégradation de la matière organique après 90 h [10].

Finalement, l’étude de cas de l’effluent 2 à base du lait pasteurisé reste intéressante car elle permet d’évaluer le rôle de la flore endogène dans l’auto-épuration. On constate que le fait d’aérer et d’agiter l’effluent permet à ces micro-organismes de se développer et d’arriver à un rendement final d’abattement de phosphore qui atteint environ 77 % avec BM contre uniquement 67 % sans BM.

Conclusion

La structure et le mode de fonctionnement proposés se sont avérés performants pour le traitement biologique aérobie des effluents modèles préparés à partir du lait UHT et du lait pasteurisé.

L’introduction des écailles de sardine respecte les critères écologiques, économiques et assure le support de croissance des micro-organismes tout en permettant d’augmenter le taux de dégradation de la matière organique.

L’épuration des effluents préparés à partir du lait pasteurisé a été réalisée de façon satisfaisante en termes de temps et de taux de dégradation de la matière organique dans le réacteur en présence des écailles et des souches endogènes de l'effluent.

Références bibliographiques

[1] Centre d’Activités Régionales pour la Production Propre (CAR/PP), Plan d’Action pour la Méditerranée, 2002, Prévention de la pollution dans les industries laitières, 164 p.

[2] Djelal H., Perrot M., 2007, Utilisation de champignons spécifiques pour la biodégradation d’effluents industriels, L’Eau, L’Industrie, Les Nuisances, n° 306, 85-90.

[3] Renou S., 2007, Analyse de cycle de vie appliquée aux systèmes de traitement des eaux usées, Thèse de doctorat, Institut National Polytechnique de Lorraine.

[4] Margot J., Magnet A., Thonney D., Chèvre N., Alencastro D., Felippe L., Rossi L., 2011, Traitement des micropolluants dans les eaux usées – Rapport final sur les essais pilotes à la STEP de Vidy (Lausanne), EPFL-REPORT-163236.

[5] Coulibaly L., Naveau H., Agathos S., 2002, A tanks-in-series bioreactor to simulate macromolecular-laden wastewater pretreatment under sewer conditions by Aspergillus niger, Water Research, n° 36, 3941-3948.

[6] Coulibaly L., Agathos S., 2003, Transformation kinetics of mixed polymeric substrates under transitory conditions by Aspergillus niger, African Journal of Biotechnology, n° 2, 438-443.

[7] Coulibaly L., Gourène G., Agathos S.N., 2008, Sélection d'un champignon filamenteux pour l’épuration des eaux usées : le phénol comme inhibiteur modèle de discrimination entre Aspergillus niger et A. oryzae, Sciences & Nature, vol. 5, n° 2, 111-119.

[8] Mavituna F., Sinclair C.G., 1985, A graphical method for the determination of critical biomass concentration for non-oxygen-limited growth, Biotechnology Letters, n° 2, 69-74.

[9] Murat M., 1933, Contribution à l’étude de la sardine (Sardina pilchardus Walb.) de la Baie de Castiglione, Bulletin Station Aquicult. et Pêche Castiglione, fasc. 2.

[10] Castillo S., 2005, Étude d'un procédé compact de traitement biologique aérobie d’effluents laitiers, Thèse de doctorat, INSA de Toulouse, France.

[11] NFT 90-104, 2001, Détermination de la demande chimique en oxygène (DCO), février.

[12] Rodier J., 1996, L’analyse de l'eau naturelle, eau résiduaire, eau de mer, 9e édition, Dunod, Paris, 1600 p.

[13] DIN 38405-D11-1 OP043, 1993, Dosage des composés phosphoriques, méthode photométrique par phosphomolybdique.

[14] Elguamri Y., Belghyti D., 2008, Étude physico-chimique des eaux usées brutes de l'abattoir municipal de Kénitra (Maroc) en vue de la mise en œuvre d’un traitement convenable, Sud Sciences et Technologies, n° 16, 36-43.

[15] Kessas R., Benabdi L., Bouarfa H., 2012, Optimisation des paramètres de production de l'acide citrique à partir de mélasse de canne à sucre avec Aspergillus niger, Journal de la Société Chimique de Tunisie, n° 14, 57-62.

[16] Radiometer Analytical SAS, 2004, Conductivité : théorie et pratique, manuel technique D61M003, 05A.