Bioréacteur à membrane externe pour le traitement d'effluents contenant des médicaments anticancéreux : élimination et influence du cyclophosphamide et de ses principaux métabolites sur le procédé

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Sous la direction de Claire Albasi
Thèse soutenue le 17 février 2009: INPT
La problématique concernant la présence et les risques potentiels liés aux micropolluants dans l'environnement est devenue une préoccupation d'actualité. Aujourd'hui, les stations d'épuration ne sont pas en mesure de traiter de manière adéquate ce nouveau type de pollution. Dans le cadre de cette thèse, l'application de la technologie des bioréacteurs à membrane a été envisagée afin d'évaluer leur potentiel pour la dégradation d'un médicament anticancéreux : le cyclophosphamide (CP). Les objectifs de cette étude sont d'une part évaluer le potentiel des bioréacteurs à membrane pour la dégradation du cyclophosphamide, ainsi que pour l'élimination de sa toxicité, d'autre part rechercher l'effet du CP et de ses métabolites sur les performances globales du procédé et sur l'activité de la biomasse épuratrice ainsi que sur les propriétés physico-chimiques de la liqueur mixte et les conséquences sur le colmatage. Deux âges de boues ont été évalués, 50 jours lors de la première campagne et 70 jours lors de la deuxième. L'élimination du CP et du métabolite 4-Keto-CP durant les deux campagnes expérimentales est d'environ 80% pour les deux composés. Les processus d'adsorption et de biodégradation contribuent à l'élimination du CP de l'eau résiduaire traitée. Le cocktail de CP et ces métabolites aux conditions opératoires étudiées n'a pas d'influence significative sur l'élimination globale de la DCO et de l'azote total. Cependant, la toxicité du cocktail des composés pharmaceutiques sur la boue activée modifie les caractéristiques de la matrice biologique : Une diminution de la production de boues du BÀM R1 CP par rapport au BÀM R2 contrôle est observée. La présence du CP et ses principaux métabolites stimule les mécanismes de survie et de production des EPS avec une production légèrement plus forte des polysaccharides que des protéines. Les résultats mettent en évidence que la réponse des boues activées des BÀM au cisaillement est dépendante de la présence de ces molécules. Cette étude démontre au final l'intérêt des BÀM pour traiter ce type d'effluents, et limiter la pollution relarguée dans le milieu naturel.
-Cyclophosphamide
-Bioréacteur à membrane
-Micropolluants
-Eau résiduaire
In hospital or pharmaceutical discharges, but also in wastewater treatment plants and more generally in the aquatic environment, toxics pollutants have been identified. Some pharmaceuticals are not completely eliminated in the municipal wastewater treatment plants and are discharged as contaminants into receiving waters. The application of membrane bioreactor process is investigated here with the aim of evaluating the potential for removal of cyclophosphamide (CP). In this study, two membrane bioreactors (MBR) were operated: one of the MBR served as a control, whereas to the other CP and its main metabolites were continuously added. Two sludge retention times were assessed, 50 days and 70 days. Removal of CP in a MBR and its effects on the membrane performance, COD and total nitrogen (TN) removal efficiency were studied. CP and 4-Ketocyclophosphamide removals up to 80% were achieved under studied operating conditions. The sludge adsorption and biodegradation (cometabolism) play an important role in the process of CP removal. CP and its metabolites toxicity do not alter COD and total nitrogen removal efficiency of MBRs. However, it induces a modification of the biological suspended solids and in doing so a modification on the membrane fouling: a decrease in the production of sludge MBR CP compared to MBR control is observed; the presence of CP and its main metabolites stimulates mechanisms of protection and production of EPS with a slightly higher production of polysaccharides than proteins. The results underline that the response of activated sludge to shear stress is dependent on the presence of these molecules. This study demonstrates the interest of MBR to treat this type of effluent and reduce the pollution released into the environment
-Cyclophosphamide
-Membrane bioreactor
-Micropollutants
-Wastewater.
Source: http://www.theses.fr/2009INPT005G/document
Publié le : vendredi 28 octobre 2011
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THÈSE

En vue de l’obtention du

DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE

Délivré par L’institut National Polytechnique de Toulouse
Ecole doctorale : Mécanique, Energétique, Génie civil, & Procédés
Spécialité : Génie des Procédés et de l’environnement

Présentée et soutenue par

Luis Fernando Delgado Zambrano
Ingénieur de l’ENSGTI de Pau

Le 17 février 2009

Titre : Bioréacteur à membrane externe pour le traitement d'effluents
contenant des médicaments anticancéreux: élimination et
influence du cyclophosphamide et de ses principaux métabolites
sur le procédé.

Jury

M. Michel Roques Professeur, ENSGTI, Pau Président
me Professeur, Université de Montpellier I M Christelle Wisniewski Rapporteur
Maître de conférences (HDR), Université Paul M. Benoît Marrot Rapporteur
Cézanne d’Aix-Marseille
meM Sylvia Parathoen Ingénieur – Pall Exekia Examinateur
M. Yvan Racault Directeur de Recherche, Cemagref, Bordeaux Examinateur
Directeur de Recherche CNRS, LGC, Toulouse M. Pierre Aimar Examinateur
me Chargé de Recherche CNRS, LGC, Toulouse M Claire Albasi Directrice

Unité de recherche : Laboratoire de Génie Chimique, UMR CNRS 5503
Résumé

La problématique concernant la présence et les risques potentiels liés aux micropolluants dans
l’environnementestdevenueunepréoccupationd’actualité.Aujourd’hui,lesstationsd’épurationnesont
pasenmesuredetraiterdemanièreadéquatecenouveautypedepollution.Danslecadredecettethèse,
l’applicationdelatechnologiedesbioréacteursàmembraneaétéenvisagéeafind’évaluerleurpotentiel
pour la dégradation d’un médicament anticancéreux" le cyclophosphamide (CP). Les objectifs de cette
étude sont d’une part évaluer le potentiel des bioréacteurs à membrane pour la dégradation du
cyclophosphamide,ainsiquepourl’éliminationdesatoxicité,d’autrepartrechercherl’effetduCPetde
sesmétabolitessurlesperformancesglobalesduprocédéetsurl’activitédelabiomasseépuratriceainsi
quesurlespropriétésphysico'chimiquesdelaliqueurmixteetlesconséquencessurlecolmatage.Deux
âges de boues ont été évalués, 50 jours lors de la première campagne et 70 jours lors de la deuxième.
L’éliminationduCPetdumétabolite4'Keto'CPdurantlesdeuxcampagnesexpérimentalesestd’environ
80%pourlesdeuxcomposés.Lesprocessusd’adsorptionetdebiodégradationcontribuentàl’élimination
duCPdel’eaurésiduairetraitée.LecocktaildeCPetcesmétabolitesauxconditionsopératoiresétudiées
n’a pas d’influence significative sur l’élimination globale de la DCO et de l’azote total. Cependant, la
toxicitéducocktaildescomposéspharmaceutiquessurlaboueactivéemodifielescaractéristiquesdela
matricebiologique"UnediminutiondelaproductiondebouesduBÀMR1CPparrapportauBÀMR2
contrôleestobservée.LaprésenceduCPetsesprincipauxmétabolitesstimulelesmécanismesdesurvie
et de production des EPS avec une production légèrement plus forte des polysaccharides que des
protéines.esrésultats
ettentnvidenceueaéponseesouesctivéesesBÀMuisaillementst
dépendantedelaprésencedecesmolécules.Cetteétudedémontreaufinall’intérêtdesBÀMpourtraiter
ceype’effluents,timiteraollutionrelarguéeanse
ilieuaturel.

Mots
lefs"$yclophosphamide,ioréacteur
embrane,
icropolluants,auésiduaire


Abstract

Inospitalrharmaceuticalischarges,utlson?astewaterreatmentlantsndmoreenerallynhe
aquatic environment, toxics pollutants have been identified. Some pharmaceuticals are not completely
eliminatedinthemunicipalwastewatertreatmentplantsandaredischargedascontaminantsintoreceiving
waters.@hepplicationf
embraneioreactorrocessisnvestigatedere?ithheaimfvaluatinghe
potentialforremovalofcyclophosphamide(CP).Inthisstudy,twomembranebioreactors(MBR)were
operated:oneoftheMBRservedasacontrol,whereastotheotherCPanditsmainmetaboliteswere
continuouslyadded.Twosludgeretentiontimeswereassessed,50daysand70days.RemovalofCPina
MBR and its effects on the membrane performance, COD and total nitrogen (TN) removal efficiency
were studied. CP and 4'Ketocyclophosphamide removals up to 80% were achieved under studied
operatingconditions.Thesludgeadsorptionandbiodegradation(cometabolism)playanimportantrolein
theprocessofCPremoval.CPanditsmetabolitestoxicitydonotalterCODandtotalnitrogenremoval
efficiencyofMBRs.However,itinducesamodificationfthebiologicalsuspendedsolidsandindoingo
amodificationonthemembranefouling:adecreaseintheproductionofsludgeMBRCPcomparedto
MBR control is observed; the presence of CP and its main metabolites stimulates mechanisms of
protectionandproductionofEPSwithaslightlyhigherproductionofpolysaccharidesthanproteins.The
results underline that the response of activated sludgeto shear stress is dependent on the presence of
thesemolecules.ThisstudydemonstratestheinterestofMBRtotreatthistypeofeffluentandreducethe
pollutionreleasedntohenvironment.


Keywords:Cyclophosphamide;
embraneioreactor;micropollutants;?astewater.




Remerciements


Durant ces trois années de thèse, j’ai rencontré de nombreuses personnes qui m’ont aidé à
mener à bien ce travail de recherche. Je tiens à remercier toutes celles qui ont participé d’une
manière ou d’une autre à accomplir l’un de mes rêves : m’initier à la recherche scientifique.
La liste est assez longue et ma mémoire est plutôt courte, alors j’espère n’oublier personne.

Je remercie :

Claire Albasi qui m’a accueilli au sein de l’équipe BàM dans le département BIOSYM du
laboratoire de Génie Chimique et qui a encadré cette thèse. Qu’elle trouve ici l’expression de
ma profonde gratitude pour ses conseils, sa disponibilité, son aide et son infinie patience,
ainsi que pour la confiance qu’elle m’a toujours apportée.

Sylvie Schetrite d’avoir suivi avec beaucoup d’intérêt mon travail, de son aide, ses conseils,
ses encouragements, sa disponibilité et de son soutien immense aux moments les plus
difficiles durant ces trois années de thèse.

Alain Zarragoitia, mon ami, de sa bonne humeur, de son optimisme, des échanges très
intéressant à propos de « la vie et de la science ». Je tiens à le remercier tout
particulièrement de son logiciel Respiroexpert qui m’a permis de réduire considérablement le
temps nécessaire pour analyser les résultats de respirométrie.

Les stagiaires dont les travaux ont directement contribué à cette étude : Camille « la petite
fille », Anoys « le fou », Ingrid « Catalana », Ingrid « française », « Juan Tren le
vietnamien », Lenaic, Max « le québécois », Amalia « la roumaine », Chadeli, Carlos « le
vénézuélien », Awatef...

Cette thèse s’appuie sur des notions balayant un large panel des champs disciplinaires
comme le génie des procédés, la microbiologie, l’écotoxicologie et la chimie analytique. Je
souhaite donc remercier :

• Les partenaires du projet ANR « Toxeaubàm » :
Sylvia Paranthoen, Jacques Guibaud et Alain Balaire (Pall Exekia)
pour leur aide dans l’aspect génie des procédés,
Virginie Faucet-Marquis et Annie Pfohl-Leszkowicz pour l’aspect
écotoxicologie,
Bénédicte Marion, Christophe Dorandeu et Michel Audran pour
l’aspect chimie analytique,
Sylvie Hansel, Annie Pfohl-Leszkowicz et Marcel Castegnaro pour
l’aspect pharmacologie,
Christel Causserand et Wang Li pour l’aspect génie des procédés –
traitement tertiaire.

• Catalina Avella, Tatiana Görner et Philippe Donato du laboratoire
Environnement et Minéralurgie de l’université de Nancy pour leur
collaboration permettant une étude approfondie des substances polymériques
extracellulaires.

ii• Les permanents du département BIOSYM du laboratoire de Génie Chimique :
Pierre Strehaiano, Patricia Taillandier, Marion Alliet, Régine Basseguy,
Cédric Brandam, Audrey Devatine, Claire Joannis-Cassan pour l’aspect
microbiologie - génie de procédés, et pour leurs conseils qui m’ont permis de
mener à bien mon exposé de soutenance de thèse.

Je remercie les assistants ingénieur et les techniciens du laboratoire de génie chimique pour
l’aide technique qui m’ont apporté durant toute la durée de mon étude : Bernand, Ignace,
Christine Rey Rouch, Alain Muller, Jean Pierre Monna, Alain Philippe, Gilles Albert, Jean-
Louis Nadalin, Denis Plotton.

Je remercie les nombreux chercheurs au laboratoire de Génie Chimique, venus d’ici ou
d’ailleurs, avec qui j’ai pu partager et découvrir un peu de leur culture : Suhuttaya Jiranun
(Tahilande), Maha, Nancy, Dominique, Youssef (Liban), Claudia, leo, sofia, Bibiana, José
(Mexique), Caroline, Patricia, Andreina (Venezuela), Ulises, Ivon, Isa, Ariadna (que bola !!!,
Cuba), Edison (Colombie), Noura, Hicham (Marroc), Amit, Nishan (Inde), Harold, Adrien,
Pascal, Katy, Gaelle, Caroline, Mél (France), Inès, Marc, Mario (Espagne), Marianne,
Christine (Québec), Cintia, Paolo (Brésil), Young Seob (Corée du Sud), Carmen (Roumanie),
phong (Vietnam)








Je remercie vivement Madame le Professeur Christelle WISNIEWSKI de l’université
Montpellier 1 et le Monsieur Benoît Marrot, Maître de Conférences de l’université Paul
Cézanne d’Aix-Marseille, de l’honneur qu’ils m’ont fait en acceptant d’être rapporteurs de
cette thèse.

Je tiens également à remercier Madame Sylvia Parathoen, Monsieur Yvan Racault,
Monsieur le professeur Michel Roques et Monsieur Pierre Aimar d’avoir accepté de juger ce
travail.

Je les remercie également de la discussion riche et intéressante qui s’est déroulée lors de la
soutenance de ma thèse, de l’attention qu’ils ont bien voulu porter à ce travail et à la qualité
de leurs remarques.











iii
























Je dédie ce travail à ma famille,
à mi chimbita,
à la « madre tierra »,
à « pascual »,
à vous...




ivTable des Matières
Page

Introduction 1

6 Chapitre I. Synthèse bibliographique

I. Problématique liée à la présence de produits pharmaceutiques dans 7
l’environnement

1.1. Présence des médicaments dans l’environnement 7
1.2. Risques potentiels liés à la présence de produits pharmaceutiques aux 12
concentrations retrouvées dans l’environnement

1.3. Les agents cytostatiques 15
1.3.1 Le Cyclophosphamide 17

1.4. Généralités sur la contribution des procédés de traitement dans l’élimination 20
de micropolluants

1.5. Conclusion 21

II. Bioréacteurs à membrane et les phénomènes de colmatage 22

2.1 Les Bioréacteurs à Membrane (BàM) 22
2.1.1 Les bioréacteurs à membrane à boucle externe (BàME) 23
2.1.2 Les bioréacteurs à membranes immergées (BàMI) 24

2.2 Le colmatage dans les bioréacteurs à membrane 25

29 III. Elimination de micropolluants : sorption – Biodégradation

3.1 Adsorption de micropolluants 29
3.1.1 L’adsorption- Concepts généraux 29
3.1.2 La Bio-adsorption 29
3.1.3 Le coefficient d’adsorption 30
3.1.4 Capacités d’adsorption 31
3.1.5 L’adsorption des composés pharmaceutiques dans les stations d’épuration 32

3.2 Biodégradation de micropolluants 36
3.2.1 Estimation de la biodégradabilité de micropolluants 36

IV. Elimination des produits pharmaceutiques par des bioréacteurs à 38
membrane

4.1. Mécanismes possibles d’élimination de produits pharmaceutiques par des 38
bioréacteurs à membrane

4.2. Avantages potentiels des Bioréacteurs à membrane pour 39
l’élimination de micropolluants
4.2.1. Aspects microbiologiques d’un bioréacteur à membrane 40
v4.2.2 Comparaison entre les Bioréacteurs à membrane et les stations d’épuration 41
classiques dans l’élimination de produits pharmaceutiques

4.3 Influence des conditions opératoires sur l’élimination de micropolluants 47
pharmaceutiques polaires
4.3.1 Temps de séjour Hydraulique (TSH) 47
4.3.2 L’âge de boues 48
4.3.3 Le pH 49
4.3.4 Concentration en micropolluant à l’entrée du procédé 49

V. Influence des conditions opératoires et de la toxicité sur l’activité 50
microbienne et sur les performances d’un bioréacteur à membrane

5.1 Influence du stress hydrodynamique 50
5.2 Influence de l’âge de boue 51
5.3 Influence de la concentration en oxygène dissous 52

5.4 Influence de la toxicité 53
5.4.1 Influence des micropolluants sur des procédés de traitement biologique 55
5.4.2 Le rôle des substances polymères extracellulaires dans la réponse aux 57
toxiques

VI. Conclusions et objectifs 59


62 Chapitre II. Matériels et méthodes

2.1 L’effluent 63
2.1.1 Caractéristiques de l’eau résiduaire urbaine 63
2.1.2 Caractéristiques du Viandox® 64
2.1.3 Composés pharmaceutiques utilisés 64
2.1.3.1 Système de sécurité vis-à-vis du cyclophosphamide 68

2.2 Description des pilotes 69
2.2.1 Bioréacteur 70
2.2.2 Module membranaire 71

2.3 Conditions opératoires 72
2.4. Prélèvements des échantillons 73

2.5 Technique analytiques mises en œuvre 74
2.5.1 Analyses des MES 74
2.5.2 Mesure de la Demande Chimique en Oxygène (DCO) 75
2.5.3 Azote total 75
2.5.4 Dosage des exopolymères (EPS) 75
2.5.4.1 Protéines et des substances humiques 75
2.5.4.2 Polysaccharides 76
2.5.5 Evaluation du pouvoir colmatant d’une boue ou d’un surnageant 77
2.5.6 Mesure de la granulométrie de la boue 79
2.5.7 Microscope confocal 80
2.5.8 Détection et quantification du Cyclophosphamide (CP) et 4-Keto CP 81

vi

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