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

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INTRODUCTION GENERALE L’utilisation intensive de fertilisants et de produits phytosanitaires principalement par les exploitants agricoles provoquent de nombreuses pollutions du milieu naturel. L’utilisation des pesticides entraîne entre autre le passage de molécules indésirables dans les eaux de surface ou les eaux souterraines. Le transfert de ces pesticides à travers le sol et jusque dans les eaux naturelles peut avoir pour conséquence le dépassement de la concentration limite légale fixée par les autorités européennes -1 -1 (0,1 µg.L par pesticide ou 0,5 µg.L de pesticides cumulés) jusqu’à parfois entraîner l’interdiction de la consommation de l’eau par les habitants résidant aux alentours de la zone contaminée. D’autre part, les rejets issus de la manipulation de ces substances polluantes (lavage de cuves, rejets de production…) peuvent engendrer de fortes pollutions locales (de l’ordre de plusieurs dixaines de -1mg.L ). Face à ces problèmes récurrents, de nombreuses recherches ont été mises en œuvre, d’une part afin de diminuer le pouvoir polluant (toxicité ou rémanence) des pesticides utilisés, et d’autre part afin de traiter les eaux polluées de façon efficace. Aujourd’hui, de nombreuses techniques existent pour traiter ces eaux chargées en pesticides. Il s’agit le plus souvent de traitements physiques (adsortion sur charbon actif (Martin-Gullon et Font, 2001)) ou chimiques (procédés d’oxydation variés (Acero et al., 2000)). Ces procédés ...

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INTRODUCTION GENERALE



L’utilisation intensive de fertilisants et de produits phytosanitaires principalement par les exploitants
agricoles provoquent de nombreuses pollutions du milieu naturel. L’utilisation des pesticides entraîne
entre autre le passage de molécules indésirables dans les eaux de surface ou les eaux souterraines.
Le transfert de ces pesticides à travers le sol et jusque dans les eaux naturelles peut avoir pour
conséquence le dépassement de la concentration limite légale fixée par les autorités européennes
-1 -1 (0,1 µg.L par pesticide ou 0,5 µg.L de pesticides cumulés) jusqu’à parfois entraîner l’interdiction de
la consommation de l’eau par les habitants résidant aux alentours de la zone contaminée. D’autre
part, les rejets issus de la manipulation de ces substances polluantes (lavage de cuves, rejets de
production…) peuvent engendrer de fortes pollutions locales (de l’ordre de plusieurs dixaines de
-1mg.L ).

Face à ces problèmes récurrents, de nombreuses recherches ont été mises en œuvre, d’une part afin
de diminuer le pouvoir polluant (toxicité ou rémanence) des pesticides utilisés, et d’autre part afin de
traiter les eaux polluées de façon efficace. Aujourd’hui, de nombreuses techniques existent pour
traiter ces eaux chargées en pesticides. Il s’agit le plus souvent de traitements physiques (adsortion
sur charbon actif (Martin-Gullon et Font, 2001)) ou chimiques (procédés d’oxydation variés (Acero et
al., 2000)). Ces procédés relativement coûteux, ne sont finalement que très peu mis en œuvre et des
alternatives moins onéreuses ont été imaginées. Les traitements biologiques, notamment, répondent
à cette contrainte ; ils sont souvent simples et bon marché et d’une bonne efficacité. Les traitements
biologiques entraînent la consommation par biodégradation ou minéralisation des substances
polluantes par une biomasse capable d’utiliser le pesticide comme source nutritive. Des traitements
combinant « filtration » et bioremédiation dits « procédés de biofiltration » ont également fait leurs
preuves dans ce domaine (Sénat, 2004 ; Cemagref, 2004).

L’utilisation de matériaux naturels tels que des déchets végétaux comme support de biofiltration a été
étudiée avec succès à plusieurs reprises. Ces techniques concernent le plus souvent l’élimination de
métaux lourds contenus dans des eaux naturelles ; la décontamination d’eaux polluées par les
pesticides n’ayant été que très rarement abordée. Parmi les matériaux naturels testés, on peut citer
l’utilisation de bagasse (Peternel et al. 1999), coton (Bailey et al. 1999), fibres de betterave (Rima et
al. 2004) ou encore rafles de maïs (Hawthorne-Costa et al. 1995) pour l’adsorption de métaux comme
le cadmium, le plomb, le cuivre, le mercure, le nickel ou le zinc.

L’écorce de pin, un sous-produit issu de l’industrie du bois, abondamment disponible, notamment au
Portugal et en France, présente une bonne affinité pour les polluants métalliques (Al-Asheh et al.
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Thèse S.GENDRAULT 2004 2000 ; Vázquez et al. 2002 ; Farm 2003) et certains composés hydrophobes comme les pesticides
organochlorés (Bras et al. 1999 ; Ratola et al. 2003). Certains auteurs relatent également l’utilisation
de l’écorce de pin comme garnissage de biofiltre pour traiter des gaz chargés en méthane (Du Plessis
et al. 2003).
De nombreuses études (en laboratoire) réalisées sur l’écorce de pin ont ainsi été entreprises et de
nouveaux procédés ont été élaborés comme techniques alternatives aux traitements classiques.

Notre étude concerne particulièrement l’élimination de l’atrazine, un herbicide largement utilisé à
travers le monde, notamment dans les cultures de maïs, mais également épandu comme herbicide
total sur les routes, les voies publiques, les voies ferrées ou les terrains non cultivés. Désormais
interdite d’utilisation dans plusieurs pays européens, dont la France depuis juin 2003, la présence de
traces d’atrazine dans les eaux naturelles nécessite encore aujourd’hui la mise en place de
traitements spécifiques.

Cette étude concerne la faisabilité du traitement d’eaux polluées par une technique de biofiltration,
combinant l’adsorption sur un support naturel peu onéreux, l’écorce de pin Pinus pinaster, et la
biodégradation de l’atrazine par une espèce bactérienne déjà décrite dans la littérature pour ses
capacités à minéraliser l’atrazine, Pseudomonas ADP sp. (Mandelbaum et al. 1993). Depuis 1993,
Pseudomonas ADP sp. fait l’objet de nombreuses recherches et est testée pour ses capacités à
dégrader l’atrazine dans différents scénarii. Certains auteurs ont ainsi imaginé traiter les eaux
-1résiduelles d’usines de fabrication de pesticides (concentrations des eaux à traiter : 25 mg.L ) avant
leur rejet dans les eaux résiduelles municipales (Shapir et al 1998). D’autres ont pensé utiliser
Pseudomonas ADP sp. pour traiter in situ des sols pollués par une technique de bio-augmentation
(Masaphy et Mandelbaum 1997 ; Newcombe et Crowley 1999)), étudiant notamment l’influence de la
présence de matière organique et du vieillissement (Kristensen et al. 2001) sur la biodisponibilité de
l’atrazine dans les sols vis à vis de Pseudomonas ADP sp. Des études relatant le traitement de
sédiments ou d’aquifères pollués à l’atrazine ont également été mises en œuvre utilisant
Pseudomonas ADP sp. (Clausen et al. 2002 ; Kristensen et al. 2001).

L’intérêt d’un traitement combiné est double:
- D’une part il permet de concentrer les polluants traces sur un support d’adsorption. Un
composé concentré (dans les limites de toxicité) sera plus facilement consommé par les
micro-organismes que lorsqu’il est présent dans un milieu sous forme de traces.
- D’autre part, l’utilisation d’un support solide permet également de concentrer une biomasse
fixée à sa surface et d’obtenir des densités cellulaires par unité de volume de réacteur
supérieures aux densités cellulaires obtenues en milieu dispersé (réacteurs à biomasse libre).
Ainsi, les vitesses de dégradation du polluant seront d’autant plus grandes que la
concentration en biomasse sera grande. La biofiltration est un procédé largement connu
aujourd’hui pour son efficacité et relativement répandu (Exemple de la société canadienne
Technologies St Laurent, www.dsp-psd.pwgsc.gc.ca, 2004).
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Thèse S.GENDRAULT 2004 Le traitement étudié a été mis en œuvre afin de répondre aux deux problématiques suivantes :

1- Le traitement d’eaux naturelles polluées par de faibles concentrations en atrazine (de l’ordre
-1du µg.L )
-12- Le traitement d’eaux polluées à plus fortes concentrations (quelques centaines de µg.L ,
-1voire quelques mg.L ), correspondant à une pollution ponctuelle locale due, par exemple, à
des lavages de cuves, ou concernant des effluents issus d’usines de production de
pesticides. Dans ce cas, le bio-procédé serait mis en place comme pré-traitement
(éventuellement sur site) avant rejet des eaux dans le réseau d’eaux résiduelles municipales
ou avant de subir un traitement spécifique.

Dans le premier cas (eau polluée par des traces de pesticide), l’utilisation du procédé combiné
(adsorption et biodégradation) permettrait de concentrer l’atrazine sur le support d’écorce de pin pour
faciliter et stimuler sa biodégradation.
Dans le second cas, l’application du traitement combiné à des eaux plus fortement polluées en
atrazine permettrait par rapport à un traitement biologique simple, d’obtenir une densité cellulaire plus
importante, comparé à un réacteur en milieu dispersé, et par conséquent d’obtenir des vitesses de
dégradation plus importantes.
Dans les deux cas, l’intervention de bactéries dans le procédé a pour but d’éliminer totalement le
polluant par minéralisation, débarrassant le support d’adsorption de sa charge polluante et permettant
dans le meilleur des cas de régénérer le support d’adsorption par libération des sites d’adsorption.
Dans le cas d’un procédé d’adsorption simple, le support d’adsorption lorsqu’il est saturé, est éliminé
par incinération ou mise en décharge avec sa charge polluante, ou régénéré par d’autres techniques
complémentaires.

L’étude s’est déroulée en trois étapes principales :
Dans un premier temps une étude concernant le support d’adsorption d’écorce de pin a été
entreprise afin de déterminer les principales caractéristiques physico-chimique de ce
matériau. Puis l’adsorption de l’atrazine sur l’écorce a été étudiée en conditions abiotiques en
milieu dispersé et en colonnes.

L’approche biologique a été l’objet de la deuxième phase de cette étude. Elle a permis de
mettre en évidence les capacités de la souche bactérienne Pseudomonas ADP sp. choisie
pour ce traitement, à minéraliser l’atrazine dans différentes conditions expérimentales et
notamment dans les conditions imposées par la présence de l’écorce de pin. L’influence de la
microflore indigène de l’écorce de pin sur Pseudomonas ADP sp. a également fait l’objet
d’une étude particulière.

Enfin, le traitement combinant adsorption et biodégradation a été testé en milieu dispersé et
en colonne, faisant l’objet de la troisième partie de cette étude.
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Thèse S.GENDRAULT 2004