Les biotechnologies appliquées au traitement des déchets en Europe et aux Etats Unis. Etat de l'Art

421 Pages·2003·50.21 MB·French

Les biotechnologies appliquées au traitement
des déchets en Europe et aux Etats Unis
Etat de l’Art
RECORD 91-0401/1A octobre 1992 RECORD
ETUDE N° 91-0401/1A

LES BIOTECHNOLOGIES APPLIQUEES AU TRAITEMENT
DES DECHETS EN EUROPE ET AUX ETATS-UNIS

ETAT DE L’ART

RAPPORT FINAL

octobre 1992

J.-M. LEBEAULT - Université de Technologie de Compiègne (Europe)
M. BERNON - BERNON Consulting Inc. (Etats-Unis)

www.record-net.org
Créée en 1989 à l’initiative du Ministère en charge de l’Environnement, l’association RECORD –
REseau COopératif de Recherche sur les Déchets et l’Environnement – est le fruit d’une triple
coopération entre industriels, pouvoirs publics et chercheurs. L’objectif principal de RECORD est le
financement et la réalisation d’études et de recherches dans le domaine des déchets et des pollutions
industrielles.
Les membres de ce réseau (groupes industriels et organismes publics) définissent collégialement des
programmes d’études et de recherche adaptés à leurs besoins. Ces programmes sont ensuite confiés
à des laboratoires publics ou privés.

Avertissement :
Les rapports ont été établis au vu des données scientifiques et techniques et d'un cadre réglementaire
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(cid:57) Pour toute reprise d’informations contenues dans ce document, l’utilisateur aura l’obligation de
citer le rapport sous la référence :
RECORD, Les biotechnologies appliquées au traitement des déchets en Europe et aux Etats-
Unis. Etat de l’Art, 1992, 420 p, n°91-0401/1A.

(cid:57) Ces travaux ont reçu le soutien de l’ADEME (Agence de l'Environnement et de la Maîtrise de
l'Energie)
www.ademe.fr

© RECORD, 1992
Etude RECORD n°91-0401/1A
TABLE DES MATIERES
Pages
1
Introduction
3
La production d'énergie dans les systèmes biologiques
Les souches utilisées 18
Les traitements enzymatiques 29
1
36
Décontamination microbiologique des sols
68
Traitement des effluents gazeux
97
La méthanisation
110
Le compostage
122
Valorisation des déchets organiques semi-liquides
Conclusions et perpestives 141
Les entreprises françaises et étrangères impliquées dans les
traitements biologiques des déchets 144
INTRODUCTION
L'étude réalisée pour le compte de l'Association RECORD se divise en trois
grandes parties.
-
les principaux axes de recherches et développements des biotechnologies
appliquées au traitement des déchets. Cette approche est présentée par M. JAUZEIN de
l'Institut de Recherches Hydrologiques
- les biotechnologies appliquées au traitement des déchets aux Etats-Unis, étude
présentée par M. BERNON
- les biotechnologies appliquées au traitement des déchets en Europe, étude
présentée par l'université de Technologie de Compiègne - J.M. LEBEAULT et A.
PAUSS.
Dans une première étape
L'étude a été réalisée à partir d'un recensement des entreprises françaises
impliquées dans les traitements biologiques des déchets via le Kompass France en
utilisant les mots clés suivants
Code : 85-400 Entretien et Nettoyage de Bâtiments et de Locaux
catégorie : 30 travaux dangereux
Code : 85-420 Assainissement, Stérilisation, Désinfection
catégories : 08 entreprises pour la destruction de tous produits
chimiques et toxiques
r
11 décontamination des sites pollués
Code 85-600 Nettoyage de Conduits et Réservoirs, Traitement des
Eaux
catégories : 31 traitement des eaux résiduaires d'usines (entreprises
de)
32 traitement des eaux résiduaires de teintureries
(entreprises de)
36 traitement des eaux de papeteries
40 traitement des boues (entreprises de)
Code : 85-700 Collecte et Traitement des Ordures et des Déchets
Industriels
catégories : 06 entreprises d'enlèvements des déchets industriels
10 traitement des déchets industriels
11 traitement des déchets d'hydrocarbures
20 traitement de boue d'épuration et de déchets
organiques
Sur le plan européen, la tenue à Francfort du salon du génie chimique a permis
de recenser les entreprises européennes impliquées dans les traitements biologiques de
l'air, l'au, des sites polués et des déchets.
Le rapport est divisé en 10 parties
La première partie présente les connaissances nécessaires à la compréhension de
la mise en oeuvre des microorganismes dans l'élimination des déchets.
La deuxième partie présentent les acteurs, microorganismes et enzymes.
La troisième partie présente le traitement des sols.
La quatrième partie, le traitement de l'air.
La cinquième partie, le traitement des eaux industrielles par méthanisation.
La sixième partie, le traitement des déchets par compostage.
La septième partie, la méthanisation des effluents industriels.
La huitième partie présente la valorisation de déchets organiques semi-liquides.
La neuvième partie présente les conclusions et perspectives.
c
La dixième partie présente les sociétés françaises et étrangères impliquées dans
les traitements biologiques de déchets.
3
PRODUCTION D'ENERGIE DANS
LES SYSTEMES BIOLOGIQUES
''Il existe parmi les microorganismes, et plus particulièrement parmi les
bactéries, une remarquable diversité de types physiologiques se différenciant entre eux
par la nature des facteurs nutritifs requis, par la nature des substrats métabolisés et par
les conditions physico-chimiques compatibles avec leur vie" (Senez).
La synthèse de la matière vivante est un processus endothermique nécessitant
une source d'énergie.
L'énergie nécessaire aux microorganismes peut être fournie soit par la lumière
(organismes phototrophes), soit par l'oxydation de molécules chimiques (organismes
chimiotrophes .
Les org- anismes phototrophes : la photosynthèse qui permet aux plantes de tirer
leur énergie de la lumière, intervient également chez les algues vertes, les
Cyanophycées et quelques espèces bactériennes. Les pigments chlorophyliens varient
selon la nature de l'organisme phototrophe. Chez les plantes, algues Cyanophycées, la
substance donatrice de protons et d'électrons est l'eau ; il y a donc libération de 02.
Chez les bactéries, il n'y a jamais libération d'oxygène, le donneur de protons peut être
r
un composé minéral comme H2S chez les Thiorhodaceae et les Chlorobacteriaceae
(organismes photolithotrophes ou photoautotrophes), ou un composé organique
comme l'acide succinique, chez les Athiorhodaceae (organismes photoorganotrophes
ou photohétérotrophes), la plupart des bactéries photosynthétiques peuvent utiliser
l'hydrogène moléculaire.
Les organismes chimiotrophes : ils utilisent l'énergie dégagée au cours de
réactions chimiques d'oxydation. Les réactions d'oxydation peuvent s'effectuer de
différentes façons :
- par perte d'électron :
Fe++ + Fe++++ e- + énergie
- par deshydrogénation :
R CH2 OH + CHO + 2H+ + 2e- + énergie
R
4
-
par hydratation-deshydrogénation :
R CHO + H20 + R COOH + 2H+ + 2e- + énergie
- par décarboxylation-deshydrogénation :
R CO COOH + H20 + R COOH + CO2 + îH+ + 2e- + énergie
Seuls certains groupes bactériens organismes chimiolithotrophes peuvent tirer
de l’énergie de substances minérales.
Nitrosomonas
Nitrob acter
Begg ia t ou
Thi o bacil 1 us
Hydrogenomonas
Ferrobacillus
Met han omo n as
Hyd rogen omona s
Le tableau suivant donne la nomenclature des organismes d‘après la source d’énergie
utilisée pour la croissance.
A . PHOTOTROPHES : énergie procurbe par une réaction photo-chiinique
(chlorophylle) .
c 1 Photo-Zithotrophes : croissance exigeant l’apport exogène de dona-
O
teu rs d’électrons minéraux.
Z0 Photo-organotrophes : croissance exigeant l’apport exogène de
donateurs d’électrons orguniques.
R. CH IMIOT ROPHES : énergie exclusivement procurée par des réactions
d’oxydation chimiques, non-lumineuses.
Chinzio-lithotrophes : croissance dépendant de l’oxydation de
l0
substances exogènes minérales.
2 O Chiinio-organotrophes : croissance dépendant de l’oxydation de
substances exogènes orguniques.
C. PAR A TROPHES : énergie exclusivement fournie par une cellule-hôt,e
5
Au cours de la respiration la production d'énergie réalisée par la synthèse de
I'ATP à partir de 1'ADP se fait principalement en associant avec le transfert
d'électrons, provenant d'un substrat oxydables, une chaîne de transporteurs
d'électrons liés à un accepteur final minéral.
Substrat oxydable AuDP ATP 4Produit réduit
e-
Chaîne de transporteurs
produit(s) Accepteur inorganique
oxydé(s ) terminal
Certains microorganismes effectuent une respiration anaérobie dans laquelle
l'accepteur habituel (l'oxygène) est remplacé par un autre composé inorganique
réductible en général NOS-, CO3--, SO4--.
La respiration bactérienne doit donc être définie comme "un processus d'oxydo-
réduction générateur d'ATP, où le donneur d'électrons est soit organique soit
inorganique et l'accepteur d'électrons est inorganique".
Les figures suivantes résument les différentes situations.
r
Respiration Aérobie Respiration Anaérobie
Substrat Substrat
organique CO2 orga1n ique ______L CO2
flux du carbone
O2 NO3- SO4-- CO3--
flux des électrons
;-
N O NOz-NH4+ bactéries dénitrifiantes
Soi'--+ H2S bactéries suifatoréductrices
CO?- CH4 bactéries rnéthanogènes
6
FE MEN' l'AT 1O N
K
flux du carbone
Substrat organique --------___ Molécule organique
>
(produit de la fermentation)
jlX
électrons
Oxydations et réductions internes
L'intégration des mécanismes producteurs d'énergie dans le métabolisme
général est divisé dans le schéma suivant :
- CENTRAL REACTIONS IN MlCROBlAL METABOLJSM
Microbial rnetabolic of organic cornpounds resuhs in producrion of energy, biornass, and inorganic cahn (CO 2).
Organic compounds
Microbial
degradat ion
lntermediary
metabolites
Fermentation compoudç
1
Aceiate.
formate,
Anaerobic respiration Aerobic respiration Co, * H2