Composition organique de boues résiduaires de stations d'épuration lorraines : caractérisation moléculaire et effets de la biodégradation

Organic composition of sewage sludges from Lorraine: molecular characterization and biodegradation

• Auteur / Autrice : Émilie Jardé
• Direction : Laurence Mansuy-Huault, Patrick Landais
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'univers
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Nancy 1
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université Henri Poincaré Nancy 1. Faculté des sciences et techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Boues d'épuration -- Digestion

Composition chimique

Boues d'épuration

Résumé

Cette étude s'est intéressée à la caractérisation moléculaire du contenu organique de boues résiduaires de stations d'épuration de la région Lorraine. Les quarante huit échantillons collectés proviennent de stations domestiques de différentes tailles (rurales, petites urbaines et urbaines), de stations industrielles (papeteries) et de stations agro-alimentaires (laiteries et fromageries). Le premier volet développé au cours de cette étude a permis de dresser l'inventaire des composés présents dans les boues d'épuration (i) sous forme libre (fraction organique soluble- FOS) et (ii) sous forme liée à la structure macromoléculaire (fraction organique insoluble- FOI). A cette fin, les outils analytiques respectivement utilisés sont la GC-MS d'une part, et la THM-GC-MS et Py-GC-AED d'autre part. Les résultats de l'analyse de la FOS et de la FOI fournissent une information équivalente dans la mesure où ils permettent de différencier les boues selon leur origine (agro-alimentaire, industrielle ou domestique). Une empreinte moléculaire spécifique à chaque type de boues a ainsi pu être définie. Par ailleurs, l'ensemble des boues domestiques est caractérisé par un fonds géochimique pétrolier, témoignant d'une pollution diffuse commune. Une variabilité autour de ce fonds géochimique a également pu être identifiée pour certaines boues domestiques, sans relation avec la taille de la station, ni le degré d'industrialisation de la région. Ces variations, essentiellement observées au niveau de la FOS, peuvent par contre être imputées à des pollutions ponctuelles ou accidentelles dans le système de collecte des eaux usées domestiques. Ce travail a pour but de fournir, à terme, des paramètres moléculaires d'aide au suivi et au contrôle des réseaux de collecte des eaux usées. Le deuxième volet de ce projet s'est intéressé à l'étude des effets de la biodégradation sur le contenu organique des boues. Afin de simuler les processus de dégradation, quatre échantllions ont été incubés à 24°C pendant 140 jours. L'analyse couplée de la FOS et de la FOI des échantillons biodégradés a permis de déterminer les grandes tendances de l'évolution du contenu organique au cours des expérimentations. Un schéma réactionnel global de biodégradation peut ainsi être proposé: l'altération de la structure macromoléculaire de la FOI libère des composés extractibles, dégradés eux-mêmes en composés de plus bas poids moléculaire ou minéralisés. Par ailleurs, cette étude a permis de déterminer des indices de biodégradation ainsi que des marqueurs organiques résistants à cette biodégradation.

This study deals with the molecular characterisation of the organic content of sewage sludges from Lorraine (Northeast of France). The 48 samples collected come from domestic wastewater treatment plant of different capacities (rural, small urban and urban) and from depuration stations treating dairy, cheese dairy and paper-mill effluents. The first part of this study enabled to make the inventory of the compound present in sewage sludges (1) under free form (soluble organic fraction - SOF), and (ii) Iinked to the macromolecular structure (insoluble organic fraction - lOF). To achieve that, the analytical tools used were respectively GC-MS on the one hand, and THM-GC-MS and Py-GC-AED on the other hand. The results of the analysis of the SOF and lOF provide equivalent information ln that they enable the differentiation of siudges according to thelr origin (food-processing, paper-mlli or domestic). A molecular fingerprint specific to each type of sludge was thus defined. Besides, all the domestic sludges are characterised by a geochemical petroleum background which testifies to a common diffuse pollution. Moreover, a variability in this geochemical background was observed for some domestic sludges, regardless of the size of the station, or of the degree of industrialisation of the region. These variations, which are essentially observed in the SOF, can be attributed to punctual or accidental pollution in the sewer system of domestic wastewater. The eventual goal of this work ls to provide molecular parameters in order to improve the monitoring and the control of wastewater sewer systems. The second part of this project studies the effects of biodegradation on the organic content of sewage sludges. Four samples were incubated at 24°C during 140 days in order to simulate the processes of degradation. The simultaneous analysis of the SOF and lOF of the biodegraded samples enabled the determination of the great tendencies of the evolution of the organic content during the experiments. A global pattern of biodegradation reactions can thus be proposed: the chemical degradation of the macromolecular structure of the lOF produces extractable compounds which will be either degraded themselves into lower molecular weight compounds or mineralised. Besides, organic markers resistant to biodegradation couId be determined and indexes of biodegradation proposed.