Dynamique des micropolluants organiques au cours du traitement biologique de résidus solides : lien entre caractérisation du résidu, localisation des micropolluants organiques au sein des compartiments du résidu et processus (sorption, biodégradation)

Dynamic of organic micropollutants during biological treatment of solid waste : link between characteristics of the waste, location of organic micropollutants within waste compartment end processes (sorption, biodegradation)

• Auteur / Autrice : Quentin Aemig
• Direction : Dominique Patureau, Sabine Houot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 15/12/2014
• Etablissement(s) : Montpellier 2
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences des Procédés – Sciences des Aliments (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Biotechnologie de l'Environnement (Narbonne)
• Jury : Président / Présidente : Etienne Paul
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Patureau, Sabine Houot, Etienne Paul, Magali Casellas-Français, Rémy Gourdon, Marc Héran
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Magali Casellas-Français, Rémy Gourdon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matière organique

Boues d'épuration -- Digestion

Micropolluants

Mots clés libres

Micropolluants organiques

Matière organique

Procédés

Organic micropollutants

Organic matter

Processes

Résumé

De nombreux déchets organiques urbains, industriels et agricoles sont considérés comme des produits résiduaires organiques (PRO). Ils sont potentiellement recyclables en agriculture comme amendement ou fertilisant pour le sol avec selon le type de déchet la mise en œuvre de traitements biologiques (digestion anaérobie, compostage). Du fait de l'utilisation de produits chimiques, les PRO contiennent des micropolluants organiques (µPO) particulièrement quantifiés dans les boues d'épuration. Ces µPO peuvent être toxiques pour les humains et les écosystèmes bien que les concentrations dans les milieux aquatiques soient très faibles (ng-µg.L-1). La plupart de ces µPO ont un fort impact sur l'environnement. Lors des traitements biologiques des boues d'épuration, l'élimination des µPO dépend de deux processus (sorption et biodégradation) eux-mêmes contrôlés par les propriétés physicochimiques de la matière organique et des µPO et les microorganismes présents. La forte sorption et le piégeage des µPO ou leur biodégradation dans la matrice boue lors des traitements minimisent le risque de transfert à l'eau ou à la faune/flore après l'épandage des boues. Cette thèse se propose d'étudier le devenir de différents µPO (hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), nonylphénols (NP) et produits pharmaceutiques) lors du traitement de boues par digestion anaérobie et compostage en lien avec le devenir de la matière organique et l'affinité des µPO pour certaines fractions de cette matière organique. L'objectif est de mieux comprendre les mécanismes qui régissent l'élimination des µPO et in fine d'estimer comment améliorer le procédé pour limiter les transferts au continuum sol/eau/biote. Dans un premier temps, un protocole de caractérisation de la matière organique a été couplé avec un dosage de µPO au cours d'une incubation anaérobie, sur une matrice modèle (boue) et sur des composés modèles (HAP, NP). Les résultats ont montré que les µPO dissipés se situent dans les compartiments les plus accessibles et les plus dégradables de la matière organique et que cette dissipation est pilotée par la dégradation de la matière ; de plus, un phénomène de vieillissement a été observé pour des molécules dopées. Les résultats démontrent que les µPO étudiés ici ont une affinité pour les matières organiques complexes de type humiques. Lors des incubations, seule la moitié de la matière organique est caractérisée. Le protocole de caractérisation de la matière organique a été modifié pour aller plus loin dans la caractérisation « matière » mais aussi en vue d'une application sur la localisation des µPO tout au long d'un système de traitement comprenant digestion et compostage. Ce protocole a donc été revu afin de pouvoir caractériser des matrices de type lignocellulose. Ce protocole a été appliqué à des échantillons issus de la digestion anaérobie et du compostage de boues en laboratoire. Ces procédés sont capables d'éliminer une partie des µPO ; le couplage des deux augmentant le taux d'élimination. L'évolution des fractions matière reflètent la dégradation de la matière organique lors des traitements. De plus, le devenir des µPO étudiés est piloté par le devenir de la matière organique nous permettant de proposer des stratégies d'optimisation de leur dissipation.Les résultats acquis permettent de déterminer des taux d'abattement des µPO lors des traitements des boues mais aucune information n'est donnée quant aux mécanismes précis d'élimination. Les mêmes traitements ont été menés en utilisant des molécules marquées au 14C. Les résultats obtenus sur trois molécules (fluoranthène, NP et sulfaméthoxazole) montrent que les µPO ne sont pas minéralisés lors de la digestion anaérobie. Lors du compostage des boues digérées, une minéralisation du NP apparaît lors de la phase de maturation. Diverses hypothèses peuvent alors expliquer l'élimination constatée au cours des traitements sans molécule marquée : métabolites ou résidus non extractibles sont formés.

Animal manures, urban organic wastes including sewage sludge, food processing and other industrial wastes are considered as organic wastes that are potentially recycled in agriculture as soil amendment or fertilizer after biological treatment like anaerobic digestion and composting.Due to the use of chemicals and industrial activities, these organic wastes contain organic micropollutants, particularly quantified in sewage sludge. These micropollutants are a family of organic compounds which may be toxic for humans or ecosystems even though their concentrations in aquatic environments are usually low (µg to ng.L-1). Most of them have huge impacts on environment (e.g. some of them are endocrine disruptors that can feminize fishes in rivers with concentrations of few ng.L-1).During biological treatments of sewage sludge, micropollutants elimination depends on two processes (sorption and biodegradation) that are driven by physicochemical properties of organic matter and micropollutants and microorganisms. Strong sorption and trapping of organic micropollutants or their biodegradation in sludge matric during anaerobic digestion and composting can minimize their transfer into water or biota after spreading.This thesis aims at studying the fate of organic micropollutants (polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), nonylphenols (NPs) and pharmaceuticals compounds) during sludge treatment by anaerobic digestion and composting in link with the fate of organic matter and the micropollutants affinity for some organic matter fractions. The objective is to better understand the mechanisms which control the micropollutants elimination and estimate how to improve the process to minimize environmental impact.First, a method for sludge organic matter characterization is coupled to organic micropollutants quantification during a model batch process (anaerobic incubation), on a model matrix (sludge) and model compounds (PAHs, NPs). Results show that dissipated micropollutants are located in more accessible and degradable fraction of organic matter and that dissipation is driven by organic matter degradation; furthermore, ageing phenomenon is observed for spiked compounds. Results show that micropollutants have strong affinity for complex organic matter (humic-like substances).During incubations, the quantity of characterized organic matter corresponds only to 50 % of chemical oxygen demand. A modified protocol for characterizing organic matter is set up to go further on organic matter characterization but also to apply it to localization of organic micropollutants. This protocol is also modified in order to characterize other organic matrices (compost).The new protocol is applied to samples from anaerobic digestion and composting of sludge at lab-scale. Anaerobic digestion and composting are able to eliminate organic micropollutants. Coupling both processes increases micropollutants removal. The fate of organic matter pools during processes mimics the fate of organic matter. A link between the fate of organic matter and the fate of organic micropollutants is determined during anaerobic digestion and composting.The results allow determining organic micropollutants removal during anaerobic digestion and composting of sludge but no information is given about the removal mechanisms. Anaerobic digestion with composting is set up at lab-scale with the use of organic 14C labelled micropollutants. The results with three molecules (fluoranthene, sulfamethoxazole, nonylphenols) show that organic micropollutants are not mineralized during anaerobic digestion. During composting, only nonylphenols are mineralized during the maturation phase. Hypothesis about micropollutants removal are the production of metabolites or the formation of non-extractable residues.