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Biolixiviation des métaux lourds des boues d'épuration municipales: I. Aspects microbiologiques.

Blais, Jean-François (1992). Biolixiviation des métaux lourds des boues d'épuration municipales: I. Aspects microbiologiques. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 272 p.

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Résumé

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La présence de teneurs élevées en métaux lourds dans les boues d'épuration est un facteur important limitant l'épandage agricole de cette biomasse. Au cours des dernières années, quelques techniques microbiologiques d'extraction des métaux lourds ont été examinées. Cette recherche a été destinée à établir les bases microbiologiques utiles au développement d'un procédé de biolixiviation des métaux toxiques associés aux boues municipales. L'acclimatation de la microflore indigène au soufre et à l'ion ferreux, réalisées sur 23 échantillons de boue d'épuration provenant de 11 stations d'épuration du Québec, de l'Ontario, du Delaware et du Maryland a démontré que des populations microbiennes oxydant ces deux substrats sont présentes et actives dans toutes les boues d'épuration. Les essais de lixiviation des métaux effectués avec ces boues et les deux substrats ont donné des rendements adéquats quant à la décontamination des boues. De plus, les microflores acclimatées présentèrent un potentiel élevé de solubilisation des métaux dans les différents types de boues produites lors du traitement des eaux usées municipales (primaires, secondaires, digérées aérobies, digérées anaérobies, fossés d'oxydation). Il est donc possible d'extraire les métaux lourds des boues d'épuration simplement à partir de la flore microbienne présente dans ces environnements, sans avoir recours à des souches spécialisées. Des dosages chimiques par cyanolyse ont attesté que l'oxydation du soufre élémentaire dans les boues se fait sans accumulation dans le milieu d'intermédiaires soufrés (thiosulfate, tétrathionate, trithionate). De plus, l'isolement des souches lixiviantes et les observations en microscopie électronique à balayage ont révélé que la production d'acide est effectuée par une flore bactérienne composée presque exclusivement de thiobacilles. En fait, la biolixiviation avec le soufre s'opère par la croissance successive de thiobacilles acidifiants (peu-acidophiles et acidophiles). Dans un premier temps, les thiobacilles peu-acidophiles présents initialement dans les boues prélevées se multiplient en entraînant une acidification des boues aux environs de pH 4.0. À partir de ce point, les thiobacilles acidophiles provenant de l'inoculum se multiplient en provoquant une acidification plus poussée de la boue (pH < 2). La chute du pH à des valeurs inférieures à 3.0 élimine pratiquement les thiobacilles peu-acidophiles, leur nombre chute à moins de 103UFC/mL. Ce type de succession bactérienne a été observé dans cinq des boues étudiées. Lors de l'acidification des boues, les thiobacilles peu-acidophiles croissent plus rapidement (td: 6.7 à 8.8 heures) que les thiobacilles acidophiles (td: 8.8 à 10.3 heures). Les cinétiques de production de sulfate dans les cinq boues testées sont comparables avec des taux maximums de production de sulfate variant de 0.055 à 0.075 g S042/ L x heure et des taux spécifiques maximums de production de sulfate (V max) étant estimés entre 1.4 et 2.3 g S042/ g cellules x heure. Une caractérisation de la microflore acidifiante par isolement de souches bactériennes de 21 boues d'épuration (88 peu-acidophiles et 26 acidophiles) a permis de mettre en évidence que plusieurs espèces de thiobacilles peu-acidophiles participent à l'acidification des boues. Cependant, Thiobacillus thioparus représente l'espèce bactérienne la plus importante en termes de fréquence d'isolement, de concentrations de cellules et d'activité acidifiante. D'un autre côté, Thiobacillus thiooxidans est apparue être la seule espèce impliquée dans le groupe de thiobacilles acidophiles. Des essais de lixiviation effectués avec une culture mixte de deux types de thiobacilles (Thiobacillus thioparus ATCC 55127 et Thiobacillus thiooxidans A TCC 55128) ont permis de vérifier l'importance et le rôle de ces deux espèces dans le procédé utilisant le soufre comme substrat L'équilibre de ces deux populations bactériennes lors de l'acidification de la boue, et les constantes cinétiques de croissance qui ont été calculées, attestent que la croissance de ces deux microorganismes constitue un modèle fiable de l'activité microbienne responsable de l'abaissement du pH par les microflores indigènes. L'observation en microscopie optique des cultures de bactéries oxydant l'ion ferreux provenant des 23 boues suggère que la biolixiviation avec sulfate ferreux est réalisée par T. ferrooxidans, la présence de Leptospirillium ferrooxidans n'ayant pas été notée. Il a également été montré que l'activité lixiviante mesurée lors des essais d'extraction des métaux effectués avec le sulfate ferreux comme substrat, pourrait résulter de la croissance des bactéries indigènes oxydant l'ion ferreux présents initialement dans les boues, plutôt que de la croissance des souches de collection de T. ferrooxidans ajoutées aux boues. L'effet de la température sur les cinétiques de croissance des populations lixiviantes et de solubilisation des métaux a été évalué à des températures variant de 7° à 42°C. Les deux procédés sont fortement influencés par la température d'incubation et conséquemment, les coefficients de température (Q107-28) pour la solubilisation du cadmium, du cuivre, du nickel, et du zinc varie de 1.6 et 2.5. Les énergies d'activation correspondantes ont été mesurées et se situent entre 30 et 64 kJ/mole. Pour les deux procédés, la solubilisation des métaux est influencée par la température et obéit à une cinétique de réaction d'ordre un. L'énergie d'activation a été estimée pour la croissance des deux types de thiobacilles (acidophiles et peu acidophiles) à 42 kJ/mole, et le coefficient (Q107-28) à 1.8. Les données obtenues démontrent également que l'extraction des métaux avec le procédé au soufre peut être réalisée à des concentrations élevées en solides (70 g/L). Des essais réalisés avec des boues ajustées initialement à différents pH, ont montré que ce paramètre affecte peu le système biologique de lixiviation avec soufre. L'ajout de concentrations élevées d'ions métalliques (Cu2+ et Zn2+) dans les boues ne supprime pas non plus l'activité biologique, indiquant ainsi que des boues très fortement contaminées peuvent être traitées par le procédé au soufre. Les effets de la biolixiviation au soufre sur certaines caractéristiques physico-chimiques et biologiques des boues ont également été explorés. Les données obtenues en cultures discontinues sur une période de quatre et cinq jours montrent que l'importante production d'acide sulfurique (pH < 2.5) cause une élimination complète (< 103 UFC/100 mL) des coliformes totaux, des coli formes fécaux et des streptocoques fécaux. De plus, le procédé peut également permettre une réduction des matières en suspension. Il faut cependant noter que l'acidification excessive de la boue (pH < 2) entraîne une solubilisation importante de la matière organique (carbone), de l'azote et du phosphore. Le pH final atteint lors de la lixiviation doit donc être contrôlé (entre 2.0 et 2.5) afin d'éviter une perte importante de la valeur fertilisante des boues.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Tyagi, Rajeshwar Dayal
Co-directeurs de mémoire/thèse: Auclair, Jean-Christian
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: biolixiviation; métaux lourds; boues d'épuration municipales; microbiologie; oxydation de soufre; ion ferreux; microflore; lixiviation; thiobacille
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 04 juin 2013 15:15
Dernière modification: 11 nov. 2015 14:51
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/1393

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