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Etude d'un traitement combiné bio-physico-chimique pour la décontamination des eaux polluées en atrazine

De
8 pages
LISTE DES FIGURES Etude Bibliographique Figure 1 : Comportement des pesticides dans les sols ........................................................................ 16 Figure 2 : Evolution de la capacité d’adsorption de l’atrazine sur les acides humiques (AH) (0,4 g/L) en fonction du pH, d’après Wang et al. (1991) ................................................................................... 20 Figure 3 : Exemple de mécanisme de dégradation biologique et chimique de l’atrazine, d’après Giardini et al., 1985........................................................................................................................ 26 Figure 4 : Différentes voies de dégradation de l’atrazine par ozonation selon Acero et al. (2000)...... 33 Figure 5 : Echange d’ions entre la procyanidine (tanin de l’écorce) et un ion métalique divalent (Vazquez et al. 2002)........... 41 Figure 6 : Exemple de dégradation de l’atrazine par une communauté bactérienne, selon Orstrofsky et al. (2002)........................................................................................................................................ 45 Figure 7 : Schéma du procédé de traitement imaginé par McKinlay et Kasperek (1997) .................... 46 Figure 8 : Dégradation de l’atrazine au cours du temps avec 4 additions successives d’atrazine (6 mg/l) dans le système de McKinlay et Kasperek (1999) pour les 4 macrophytes étudiés. ........... 47 Figure 9 : ...
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LISTE DES FIGURES
Etude Bibliographique
Figure 1 : Comportement des pesticides dans les sols ........................................................................ 16 Figure 2 : Evolution de la capacité d’adsorption de l’atrazine sur les acides humiques (AH) (0,4 g/L) en fonction du pH, d’après Wang et al. (1991) ................................................................................... 20
Figure 3 : Exemple de mécanisme de dégradation biologique et chimique de l’atrazine, d’après Giardini et al., 1985........................................................................................................................ 26Figure 4 : Différentes voies de dégradation de l’atrazine par ozonation selon Acero et al. (2000) ...... 33Figure 5 : Echange d’ions entre la procyanidine (tanin de l’écorce) et un ion métalique divalent (Vazquez et al. 2002)..................................................................................................................... 41Figure 6 : Exemple de dégradation de l’atrazine par une communauté bactérienne, selon Orstrofsky et al. (2002) ........................................................................................................................................ 45Figure 7 : Schéma du procédé de traitement imaginé par McKinlay et Kasperek (1997) .................... 46Figure 8 : Dégradation de l’atrazine au cours du temps avec 4 additions successives d’atrazine (6 mg/l) dans le système de McKinlay et Kasperek (1999) pour les 4 macrophytes étudiés. ........... 47Figure 9 : Developpement idéal d’un biofilm (Melo, 1997) ................................................................... 51Figure 10 : Les différentes étapes de formation d’un biofilm (adapté de Melo, 1994) ......................... 52Figure 11 : Influence de la charge organique sur l’épaisseur du biofilm (inspiré de Characklis 1990) 58Figure 12 : Effet de la vitesse de circulation sur la formation du biofilm (inspiré de Pinheiro et al., 1988) .............................................................................................................................................. 59Figure 13 : Mécanisme de minéralisation de l’atrazine parPseudomonasADP sp.selon Martinez et al. (2001)............................................................................................................................................. 67Figure 14 : Représentation des différentes phases d’un milieu poreux................................................ 74
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Etude Expérimentale
Figure 1 : Distribution dePinus pinaster...................79en Europe et en Afrique du Nord (Ratola, 2002) ème Figure 2: Répartition des espèces forestière du Portugal (Inventaire National des forets – 3 édition, 1998) ...............................................................................................................................................79Figure 3 : Ecorce de pinPinus pinaster.................................................................................................80Figure 4 : Ecorce brute de pinPinus Pinaster.......................................................................................88Figure 5 : Formule développée de l’atrazine..........................................................................................90Figure 6 : Isothermes d’adsorption de l’atrazine sur l’écorce de pin en présence de MeOH (A) ou sans MeOH (B) ; diamètre des particules d’écorce :d<200 µm ; ratio L/S=20 ; température 20°C ; temps de contact 24h......................................................................................................................91Figure 7 : Essais de cinétique d’adsorption de l’atrazine sur l’écorce de pin en milieu dispersé ..........93Figure 8 : Différentes courbes d’élution rencontrées suite à une injection en créneau (1 à 3). C et V expriment respectivement la concentration en soluté et le volume de solution cumulé récolté en sortie de colonne ; Vo représente le volume d’eau total contenu dans la colonne, C0la est concentration entrante de soluté ....................................................................................................95Figure 9 : Schéma d’une colonne ..........................................................................................................98Figure 10 : Dispositif expérimental pour l’étude de l’adsorption en colonne .......................................101Figure 11 : Cinétique de l’adsorption de l’atrazine sur l’écorce de pin (d<200 µm) à différentes 1 concentrations initiales ; 20±..................................................................1022°C ; L/S = 20 mL.mg Figure 12 : Isothermes d’adsorption de l’atrazine sur l’écorce de pin autoclavée en poudre de différentes granulométries (d<200 µm ; 200 µm < d < 500 µm ; 500 µm< d < 2000 µm ; mélange de particules d<2000 µm) ; 20±2°C ; pH 4,5 ; Temps de contact 24h .......................................103Figure 13 : Isothermes d’adsorption de l’atrazine sur l’écorce de pin autoclavée (d<200 µm) en
suspension aqueuse tamponnée à pH 4 ou pH 7 ; rapport L/S =40 ; 23±2 °C ; temps de contact 24 h ...............................................................................................................................................105
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1 Figure 14 : Isothermes d’adsorption de l’atrazine ([atrazine]i) sur l’écorce de pin en= 2,6 à 749 µg.L poudre (d<200 µm) ; ratio L/S = 10, 100 et 1000 ; 20±2°C ; pH 45 ; temps de contact 24h.....1061 Figure 15 : : Isothermes d’adsorption de l’atrazine ([atrazine]i) sur l’écorce de pin en= 1 à 20 mg.L poudre (d<200 µm) ; ratio L/S = 10, 20 et 100 ; 20±2°C ; pH 45 ; temps de contact 24h.........106Figure 16 : Isothermes d’adsorption de l’atrazine sur l’écorce de pin (d<200 µm) et sur charbon actif (d<200 µm) ; ratio L/S=1000 ; 20±2°C ; temps de contact 24h ..................................................107Figure 17 : Comportement hydrodynamique : Transfert de KCl dans les colonne d’écorce de pin 1 stérile (droite) ou non stérile (gauche) ; Débit de colonne = 1 mL.min ; 22°C............................108Figure 18 : Suivi du COD en sortie de colonne d’écorce de pin stérile et non stérile traversée par une 1 solution d’eau déminéralisée ; débit = 1 mL.min ; 22°C ; Temps de séjour20 min ................109Figure 19 : Suivi du pH en sortie de colonne (10 g écorce stérile ou d’écorce non stérile) traversée par 1 une solution d’eau déminéralisée ; débit = 1 mL.min ; 22°C ; temps de séjour20 min ..........110Figure 20 : Suivi de la conductivité en sortie de colonne (10 g d’écorce stérile ou d’écorce non stérile) 1 traversée par une solution d’eau déminéralisée ; débit = 1 mL.min ; 22°C ; temps de séjour20 min ................................................................................................................................................110Figure 21 : Adsorption de l’atrazine sur écorce de pin (stérile ou non stérile) et sur charbon actif en 1 colonne (masse d’adsorbant 10g), circulation en circuit ouvert ; [atrazine]i; débit = 1=0,2 mg.L 1 mL.min ; 22°C ; temps de séjour20 min .................................................................................112Figure 22 : Isothermes d’adsorption de l’atrazine sur l’écorce de pin autoclavée et non autoclavée (d<200µm); ratio L/S=20 ; 20°C ; temps de contact 24h ..............................................................113Figure 23 : Utilisation du glycérol ou du glucose comme source de carbone parPseudomonas ADP sp. Suivi de la respiration dePseudomonassp. en milieu minéral (MM) en présence ADP 1 1 d’atrazine (30 mg.L ) comme source d’azote et 1g.L de glucose ou glycérol comme source de carbone ; 30°C ; agiation 150 rpm ................................................................................................119Figure 24 : Comparaison de la minéralisation de l’atrazine parPseudomonas ADP sp. inoculé à 6 environ 10 cfu/mL à partir d’une préculture ou de cellules congelées, en milieu minéral MM 1 14 1 (glucose 1g.L ; Catrazine 20 mg.L ), 20°C. ...........................................................................120Figure 25 : Flacon de DBO équipé de tête Oxitop® utilisé lors des études de respirométrie .............123
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1 Figure 26 : Croissance dePseudomonassp. en milieu minéral (MMglucosé à 1 g.L ) avec ADP 1 atrazine (30 mg.L ) additionnée au milieu à partir d’une solution mère concentrée dans le méthanol ou dissoute directement en poudre dans le milieu MM ; 30°C ; agitation 150 rpm ......125Figure 27 : Photo d’un biomètre pour l’étude de la minéralisation de l’atrazine ..................................126Figure 28 : Représentation schématique d’un biomètre utilisé dans les essais de minéralisation en « Batch » .......................................................................................................................................127Figure 29 : Influence de la température sur la croissance (A) dePseudomonasADP sp. et sa capacité à dégrader l’atrazine (B) en milieu minéral (MM), avec atrazine (environ 50 mg.L 1) comme seule 1 source d’azote et glucose (1 g.L ) comme source de carbone ; agitation orbitale (150 rpm) ; pH 7133Figure 30 : Influence du pH sur la croissance de Pseudomonas ADP sp. (A) et sa capacité à dégrader 1 l’atrazine (B) en milie minéral (MM) ; atrazine comme seule source d’azote (environ 15 mg.L ) ; 1 glucose (1g mg.L ) ; 30°C ; agitation orbitale (150 rpm)..............................................................134Figure 31 : Croissance dePseudomonasdégradation primaire de l’atrazine présente ouADP sp. et 1 non (50 mg.L ) en milieu minéral (MM) en présence ou non d’une source additionelle d’azote 1 1 (sulfate d’ammonium 1 g.L ) ; Glucose (1 g.L ) ; 30°C ; agitation orbitale 150 rpm ...................1361 Figure 32 : Minéralisation de l’atrazine (concentration initiale environ 20 mg.L ) parPseudomonas1 ADP sp. en milieu riche (LB) ou en milieu minéral (MM ; glucose 1 g.L ) contenant ou non une 1 14 source additionnelle d’azote (sulfate d’ammonium 1 g.L ) ; 30°C ; Agitation 150 rpm ; C atrazine à 1 µCi/fiole .....................................................................................................................138Figure 33 : Activité respiratoire dePseudomonasADP sp. en milieu minéral (MM) en présence de 1 1 1 ou 0,25 g.L de glucose comme source de carbone, 1 g.L de sulfate d’ammonium ; en extrait 1 aqueux d’écorce de pin (sulfate d’ammonium 1 g.L comme source d’azote) en présence ou non de sels minéraux ; 30°C ; agitation 150 rpm.................................................................................139Figure 34 : Croissance dePseudomonas ADP sp. en extrait stérile d’écorce de pin ou en milieu 1 minéral (MM) contenant ou non une source additionnelle de carbone (glucose 1g.L noté Glc) 1 et/ou une source d’azote (sulfate d’ammonium 1 g.L noté N) ; 30°C ; agitation 150 rpm..........1411 Figure 35 : Activité respiratoire (exprimée en mg de O2.L ) dePseudomonassp. en extrait ADP 1 1 1 aqueux d’écorce de pin contenant (0,25 mg.L ; 0,5 mg.L ou 1 mg.L ) ou non du glucose ; 30°C ; agitation 150 rpm. .............................................................................................................142
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Figure 36 : Croissance dePseudomonas ADP sp. et biodégradation de l’atrazine en extrait aqueux 1  d’écorce de pin stérile ou en milieu minéral MM (glucose 1 g.L ) en présence d’atrazine (50 mg.L 1 1 ) avec ou sans sulfate d’ammonium (1 g.L noté N) ; 30°C ; agitation 150 rpm.........................143Figure 37 : Minéralisation de l’atrazine parPseudomonas ADP sp en extrait aqueux d’écorce de pin 1 1 stérile ou en milieu minéral MM (glucose 0,25 g.L ) ; concentration initiale en atrazine 20 mg.L ; 22°C ; agitation lente.....................................................................................................................144Figure 38 : Croissance du consortium isolé à partir de l’écorce de pin et biodégradation de l’atrazine 6 1 en milieu LB ou en extrait aqueux d’écorce de pin inoculé avec environ 10 cfu.mL de chaque 1 isolat (CP1 à CP4) ; atrazine comme source d’azote (55 mg.L ) ; 30°C ; agitation 150 rpm ......151Figure 39 : Biodégradation de l’atrazine en milieu LB par les microorganismes isolés de l’écorce de 6 1 pin (inoculé avec environ 10 cfu.mL de CP1, CP2, CP3 ou CP4) ; atrazine comme source 1 d’azote (environ 55 mg.L ) ; 30°C ; agitation 150 rpm .................................................................152Figure 40 : Minéralisation de l’atrazine en milieu minéral (MM) contenant des particules d’écorce de 1 1 pin stériles ou non stériles (d<200 µm) à un ratio L/S=20 ; [atrazine]i=20 mg.L ou 44,2 µg.L comme seule source d’azote ; 20 ± 2 °C ; agitation lente ............................................................153Figure 41 : Croissance dePseudomonassp. en milieu minéral (MM) contenant des particules ADP 1 d’écorce de pin (ratio L/S=10), en présence d’atrazine (30 mg.L ) ; 30°C ; agitation 150 rpm. En foncé :PseudomonasADP sp. est inoculé avec l’écorce stérile ; en clair :PseudomonasADP sp. est inoculé avec l’écorce non stérile .............................................................................................154Figure 42 : Croissance dePseudomonas ADP sp. en extrait aqueux d’écorce de pin stérile ou non 1 stérile en présence d’atrazine (environ 50 mg.L ) ; 30°C ; agitation 150 rpm .............................155Figure 43 : Biodégradation de l’atrazine parPseudomonas ADP sp. en extrait aqueux stérile et non 1 stérile d’écorce de pin ; [atrazine ]i= 30 mg.L ; 30°C ; agitation 150 rpm...................................156Figure 44 : Minéralisation de l’atrazine parPseudomonas ADP sp. présente à une concentration 1 1 initiale de 20 mg.L (A) ou 44,2 µg.L (B) en milieu minéral (MM) contenant des particules d’écorce de pin stériles ou non stériles (L/S=20) ; 20 ± 2 °C ; agitation lente ..............................157Figure 45 : Utilisation des différents réplicats pour l’étude en batch du traitement combiné ..............162Figure 46 : Distribution de la radioactivité dans les essais batch – Méthodes de suivi de la radioactivité dans les différents compartiments ................................................................................................163
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Figure 47 : Lits d’écorce de pin issus des colonnes après inoculation dePseudomonas ADP sp. pendant 2 ou 6 jours ; prélèvements pour analyses au MEB .......................................................168Figure 48 : Montage expérimental : Hydrodynamique des colonnes avant et après inoculation avec PseudomonasADP sp..................................................................................................................170Figure 49 : Montage expérimental pour les essais en colonne de traitement combiné d’une solution polluée à l’atrazine après inoculation des colonnes avecPseudomonasADP sp. pendant 6 jours.172Figure 50 : Minéralisation de l’atrazine parPseudomonas ADP sp. en milieu minéral (MM Glucose 1 1,25 g.L ), en présence ou non d’écorce en poudre (d<200 µm) stérile ou non stérile (ratio L/S =20) ou en extrait aqueux stérile d’écorce de pin ; 20 ± 2°C ; Agitation lente au barreau aimenté ; 1 Concentration initiale en atrazine 44,2 µg.L . Les témoins ne reçoivent pasPseudomonas ADP sp. .................................................................................................................................................174Figure 51 : Minéralisation de l’atrazine parPseudomonassp. en milieu minéral (MM Glucose ADP 1 1,25 g.L ), en présence ou non d’écorce en poudre (d<200 µm) stérile ou non stérile (ratio L/S =20) ou en extrait aqueux stérile d’écorce de pin ; 20 ± 2°C ; Agitation lente au barreau aimenté ; 1 Concentration initiale en atrazine 20 mg.L . Les témoins ne reçoivent pasPseudomonasADP sp.174Figure 52 : Distribution de la radioactivité en solution dans les essais de minéralisation 1 ([atrazine]i=44,2µg.L ) en milieu minéral (MM) et en extrait stérile d’écorce de pin ; 20 ± 2°C ; Agitation lente au barreau aimenté ; incubation 15 jours .............................................................177
Figure 53 : Distribution de la radioactivité en solution dans les essais de minéralisation ([atrazine]i=20 1 mg.L ) en milieu minéral (MM) et en extrait stérile d’écorce de pin ; 20 ± 2°C ; Agitation lente au barreau aimenté ; incubation 15 jours ..........................................................................................178Figure 54 : Répartition de la radioactivité originaire de l’atrazine marquée dans les essais de minéralisation parPseudomonassp., en milieu minéral (MMGlucose), extrait aqueux ADP d’écorce de pin, en milieu MM contenant de l’écorce de pin (d<200 µm) stérile (E st.) ou non stérile (E non st.) après 350 h d’incubation à 20 ± 2 °C ; concentration initiale en atrazine = 44,2 1 µg.L ; agitation lente ...................................................................................................................179Figure 55 : Répartition de la radioactivité originaire de l’atrazine marquée dans les essais de minéralisation parPseudomonassp., en milieu minéral (MMGlucose), extrait aqueux ADP d’écorce de pin, en milieu MM contenant de l’écorce de pin (d<200 µm) stérile (E st.) ou non stérile (E non st.) après 350 h d’incubation à 20 ± 2 °C ; concentration initiale en atrazine = 20 1 mg.L ; agitation lente ..................................................................................................................180
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Figure 56 : Répartition de la radioactivité originaire de l’atrazine marquée dans les essais de minéralisation parPseudomonassp., après 15 jours d’incubation à 20 ± 2 °C  ADP ; 1 1 [atrazine]i = 44,2 µg.L (Figure de Gauche) et [atrazine]i = 20 mg.L (Figure de Droite)............182Figure 57 : Répartition de la radioactivité originaire de l’atrazine marquée dans les essais de minéralisation parPseudomonasADP sp., en milieu MM contenant de l’écorce de pin (d<200 µm) 1 stérile (Ec st.) ou non stérile (Ec non st.) 7 mois d’incubation à 20 ± 2 °C ; [atrazine]i = 20 mg.L 182Figure 58 : Répartition de la radioactivité originaire de l’atrazine marquée dans les essais de minéralisation parPseudomonasADP sp., en milieu MM contenant de l’écorce de pin (d<200 µm) 1 stérile (Ec st.) ou non stérile (Ec non st.) 7 mois d’incubation à 20 ± 2 °C ; [atrazine]i = 44,2 µg.L 183Figure 59 : Courbe d’élution de KCl pour les colonnes d’écorce de pin stérile (gauche) ou non stérile (droite), avant (ronds) et après (carrés) circulation pendant 6 jours d’une culture de 1 PseudomonasADP sp. ; 20 ± 2°C ; débit 1,0 mL.min ; temps de contact 20 min .....................188Figure 60 : Montage expérimentale pour les essais d’adsorption en colonne composé d’une étuve climatisée à 20±2°C , d’un multianalyseur (pH, conductivité) ; de deux pompes peristaltiques et d’un collecteur de fractions ...........................................................................................................1891 Figure 61 : Courbe d’élution d’une solution d’atrazine (concentration d’entrée 0,2 mg.L ) traversant une colonne d’écorce de pin non stérilisée (à gauche) ou d’écorce stérilisée (à droite) inoculée (traitement combiné) ou non (adsorption) avecPseudomonas ADP sp. pendant les 6 jours 1 précédant le traitement. 20 ± 2°C ; débit 1 ml.min ; temps de contact 22 min..........................1901 Figure 62 : Courbes d’élution d’une solution d’atrazine (concentration d’entrée 2,34 µg.L ) traversant une colonne d’écorce de pin stérile inoculée (traitement combiné) ou non (adsorption) avec PseudomonasADP sp. pendant les 6 jours précédant le traitement. 20 ± 2°C ; débit 0,3 ml.min 1 ; temps de contact 100 min ........................................................................................................1911 Figure 63 : Courbes d’élution d’une solution d’atrazine (concentration d’entrée 0,2 mg.L ) traversant une colonne d’écorce de pin stérile inoculée (traitement combiné) ou non (adsorption) avec Pseudomonasml.minADP sp. pendant les 6 jours précédant le traitement. 20 ± 2°C ; débit 0,3 1 ; temps de contact 100 min ........................................................................................................191
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