BIOLOGIE MOLECULAIRE DES MICROORGANISMES DES BOUES DE STATION D’EPURATION

Les boues de station d’épuration et leur utilisation dans l’agriculture périurbaine Les boues des stations d’épuration (BSE) sont les principaux déchets produits par une station d’épuration à partir des effluents liquides (urbains ou industriels). Elles sont constituées d’un mélange complexe contenant de la matière minérale et organique dans différentes formes. On y trouve aussi des traces d’éléments métalliques (zinc et cuivre mais aussi cadmium et nickel), des microorganismes vivants (virus, bactéries et parasites, dont une partie présente un potentiel risque infectieux) et des micropolluants organiques (résidus des produits de synthèse tels que les détergents et leurs dérivés) (d’Arcimoles & Borraz, 2003). Du fait de leur nature particulière, les BSE peuvent être traitées et les produits dérivés sont par la suite recyclés ou valorisés. Le traitement des BSE aboutit généralement à la formation de sédiments résiduaires et une réduction drastique de la charge microbienne. La Figure 1 décrit le processus de formation des BSE à partir des eaux usées brutes dans une station d’épuration. Figure 1: Processus de formation des boues (Source : http://www.ademe.fr/partenaires/boues/pages/f14.htm)

Les boues activées

L’épuration biologique des eaux résiduaires par le procédé des boues activées repose sur le principe d’activité d’une culture de bactéries en milieu aérobie (figure 2), maintenue en suspension dans un ouvrage spécifique alimenté par l’effluent à traiter et appelé bassin d’aération (Canler et al., 1999). Un dispositif de brassage permet un mélange homogène floc bactérien-eaux usées et un apport d’oxygène nécessaire aux bactéries. (Altmeyer, 1990). Ce processus en aérobiose favorise le développement de microorganismes aérobies au détriment de microorganismes anaérobies majoritaires dans les effluents liquides. Figure 2 : Processus de formation des boues activées (http://fr.wikipedia.org/wiki/Boue_activée) Le traitement des BSE réduit leur teneur en eau, stabilise la matière organique et augmente leurs qualités sanitaires. Des traitements plus avancés des BSE peuvent consister à les chauler, sécher ou composter (d’Arcimole & Borraz, 2003). Ces boues peuvent subir une aération prolongée ; on parle ainsi de stabilisation aérobie ou bien digérée dans des digesteurs par voie anaérobie (stabilisation anaérobie).

Les boues stabilisées

Les boues stabilisées dérivent des boues activées qui subissent un traitement supplémentaire. La stabilisation peut s’appliquer aux boues mixtes fraîches, aux boues secondaires ou à l’ensemble des boues. Les traitements peuvent être de type biologique, chimique ou thermique. 5  Les traitements biologiques :  Par digestion aérobie : il s’agit d’un prolongement du traitement des boues activées par un apport prolongé d’oxygène stimulant le développement des microorganismes jusqu’à épuisement du milieu (Altmeyer, 1990). En condition aérobie, l’oxydation des composés en carbone (C) aboutissent à la formation de CO2, de bicarbonate et d’humus. Les composés azotés (N) permettent la formation d’acide nitrique (HNO3), d’acide nitreux (HNO2) et de l’ammoniac (NH3). Les composés en Phosphore et Soufre donnent respectivement de l’acide phosphorique (H3PO4) et sulfurique (H2SO4). Comme l’humus, différent produits intermédiaires peuvent être potentiellement intéressant pour la fertilisation des sols. Pour cela les boues séjournent dans des bassins dits de stabilisation.  Par digestion anaérobie : celle-ci a lieu dans le digesteur où les matières organiques subissent une transformation en dioxyde de carbone et en méthane avec également production d’ammoniac. Les sulfures et phosphores aboutissent à des composés sulfurés ou phosphorés organiques. Comme dans le premier cas la digestion peut être incomplète et donner les produits intermédiaires.  stabilisation chimique : pour le traitement chimique, le réactif le plus utilisé est la chaux en raison de son faible cout.  stabilisation thermique par pasteurisation : elle a pour but d’inactiver totalement les agents pathogènes contenus dans les boues (par exemple, en vue de l’épandage des boues sur des pâtures). Pour cela, la suspension boueuse est maintenue à 70°C pendant 30min (Ibid.).

Utilisation des boues d’épuration en agriculture

Quel que soit le type de traitement, la teneur en matière organique est toujours élevée dans les boues d’épuration. Exprimée par rapport à la matière sèche du produit, elle peut aller de 80% (boue obtenue par voie biologique) à 35% (boue obtenue après digestion poussée, traitement thermique ou physico-thermique) (Robert et al., 1994). Les boues sont aussi riches en fertilisants (azote, phosphore, potasse…) et peuvent constituer une alternative aux engrais chimiques. Le résultat des travaux de Benbrahim et al. (2003) montrent que les épandages de boues améliorent la nutrition minérale des arbres. Actuellement, une part encore importante des boues est épandue par des agriculteurs intéressés par leurs qualités agronomiques (d’Arcimoles & Borraz, 2003). En effet les effets agronomiques déterminent du point de vue 6 de l’agriculteur, l’intérêt de la filière de valorisation des boues (Robert et al., 1994) mais aussi de leur faible coût par rapport aux fertilisants classiques. Cependant le marché d’épandage est remis en cause de part les controverses et incertitudes sur les répercussions sanitaires et environnementales de ces déchets organiques sur les cultures et les terres (Lupton, 2001).

Les microorganismes des boues de station d’épuration

Les traitements usuels appliqués aux BSE permettent un abattement important mais non total de la charge microbienne.

Les microorganismes utiles

Les microorganismes jouent un rôle important dans les sols par la production de matière minérale nécessaire à la croissance des plantes. C’est le cas des phospho-bactéries qui augmentent la nutrition phosphatée des plantes, les Thiobacillus qui interviennent dans le cycle du soufre et les bactéries nitrifiantes qui sont liées au cycle de l’azote et jouent un rôle clé dans le fonctionnement des sols. Les nitrates (NO3 – ) et l’ammonium (NH4 + ) constituent les formes dominantes des composés azotés absorbés par les plantes. L’ammonium dans le sol peut être oxydé par certaines bactéries des boues par le processus de nitrification qui comporte principalement deux étapes. La première étape permet la conversion de l’ammonium en nitrite (NO2 – ) par le groupe des Nitrosomonas, Nitrospira, Nitrosococcus et Nitrosolobus ; le nitrite est ensuite oxydé en nitrate par le groupe des Nitrobacters et Nitrococcus. L’azote des nitrates est aisément utilisé par les plantes, mais se perd aussi rapidement par le lessivage des nitrates solubles et la dénitrification n’est pas toujours un bienfait (Prescott et al., 2003).

Les microorganismes pathogènes des boues d’épuration

La teneur en microorganismes pathogènes dans les boues d’épuration varie en fonction :  De la nature des rejets recueillis par le réseau (domestiques, industriels,…)  De l’état sanitaire de la population raccordée,  Des traitements effectués sur les eaux et les boues etc.… La charge en agents pathogènes dépend des concentrations initiales dans les eaux usées, de la survie, de croissance pendant les traitements, de l’association des agents avec la boue, du 7 temps de séjour des boues et de la technique d’extraction des pathogènes des boues utilisées (Déléry et al., 2007).