Université Hassan Premier Ecole Nationale des Sciences Appliquées de Khouribga
Département Génie des Procédés Filière Génie des Procédés de l’Energie et de l’Environnement
Rapport de projet Traitement des effluents laitiers Voie biologique
Module Pollution dépollution
Responsable : Pr. Salah TOUIL Réalisé par : Khalil BADRI et Taoufik BAZTAOUI
Année universitaire 2016/2017
Traitement biologique des effluents laitiers
Remerciement Au terme de ce travail, nous saisissons cette occasion pour exprimer nos vifs remerciements à toute personne ayant contribué, de près ou de loin, à l’élaboration de ce travail. Un remerciement particulier et sincère à notre chère et dynamique professeur M. Salah TOUIL pour tous ses efforts fournis, pour chaque information et pour chaque nouvelle leçon qu’il nous a enseignée et pour sa patience, ses conseils et ses remarques pertinentes nous ont été d’une grande utilité. Que ce travail soit un témoignage de notre gratitude et notre profond respect. Enfin nous tenons à remercier l’ensemble du corps enseignant de la Filière génie des Procédés de l’Energie et de l’Environnement.
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Traitement biologique des effluents laitiers
Abstract Dairy Discharges are very rich of organic matter. They are a redoubtable source of pollution because of their richness in microorganisms, lactose, proteins, vitamins and mineral salts. Also, the management of these effluents worries producers and environment actors. This project focuses on biological treatment by the sequential biological reactor and the by use of microorganisms.
ملخص وتعتبر كذلك ملوثا للبيئة الحتوائها على الكائنات.إن تصريفات مراكز الحليب تشكل مادة غنية بالمواد العضوية إضافة إلى أن تسيير هذه التصريفات من أكثر األمور التي. الفيتامينات و األمالح المعدنية، البروتينات،الالكتوز،المجهرية ، فمشروعنا يسلط الضوء على المعالجة البيولوجية عن طريق البيومفاعل التسلسلي، لذلك.تشغل المنتجين و الفاعلين البيئيين .وأيضا باستعمال بعض الكائتات المجهرية
Résumé Les rejets des industries laitières sont très riches en matière organique. Ils constituent une source de pollution redoutable par sa richesse en microorganismes, lactose, protéines, vitamines et sels minéraux, en plus la gestion de ces effluents préoccupe les producteurs et les acteurs de l’environnement. Ce projet s'intéresse essentiellement au traitement biologique par le réacteur biologique séquentiel, et par l’utilisation des microorganismes.
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Table des matières Introduction ......................................................................................................................................... 0 I.
Polluants des eaux usées de laiterie ............................................................................................. 1
II.
Origines de la pollution ............................................................................................................... 2
1.
Réception du lait .......................................................................................................................... 2
2.
Tanks de stockage ....................................................................................................................... 2
3.
Pasteurisateur............................................................................................................................... 2
4.
Fromagerie................................................................................................................................... 3
5.
Beurrerie ...................................................................................................................................... 3
6.
Ateliers de poudre de lait............................................................................................................. 3
7.
Eau de lavage des sols ................................................................................................................. 3
8.
Effluents généraux ....................................................................................................................... 3
III.
Procèdes classiques de l’épuration des eaux usées .................................................................. 5
1.
L'épandage ................................................................................................................................... 5
2.
Les boues activées ....................................................................................................................... 5
IV.
Procédé RBS............................................................................................................................ 7
1.
Rappels Bibliographiques............................................................................................................ 8
2.
Influence de différents paramètres .............................................................................................. 9
2.1.
Influence du temps d’aération et de la teneur en DCO d’entrée.............................................. 9
2.2.
Influence de la charge volumique (Cv) ................................................................................. 10
2.3.
Influence de la charge massique (Cm) .................................................................................. 11
V.
Procédé de traitement biologique par microorganismes........................................................... 13
1.
Souches utilisées........................................................................................................................ 13
2.
Caractérisation de l’effluent ...................................................................................................... 13
3.
Développement des mycètes sur le lactosérum doux et sur l’effluent....................................... 15
3.1.
Biodégradation du lactosérum doux ...................................................................................... 15
3.2.
Biodégradation de l’effluent de l’industrie laitière (ELT)..................................................... 16
Conclusion ......................................................................................................................................... 18 Références bibliographiques ............................................................................................................. 19
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Liste des tableaux Tableau 1: Composition physico-chimique moyenne de l'effluent laitier (LVRS) pendant les deux périodes de l’année (basse et haute lactation) ....................................................................................... 13 Tableau 2: Composition physico-chimique moyenne de l'effluent laitier (LVRS) pendant les deux périodes de l’année (basse et haute lactation) ....................................................................................... 14 Tableau 3: Composition biologique moyenne de l'effluent laitier (LVRS) pendant les deux périodes de l’année (basse et haute lactation)........................................................................................................... 14
Liste des figures Figure 1: Exemple de bioréacteur à membranes externes ....................................................................... 7 Figure 2: Influence du temps d’aération sur la DCO résiduelle .............................................................. 9 Figure 3: Influence du temps d’aération sur la DCO résiduelle d’un effluent réel ............................... 10 Figure 4: Influence du temps d’aération sur la DCO résiduelle ............................................................ 10 Figure 5: Influence de la charge volumique sur la DCO résiduelle ...................................................... 11 Figure 6: Influence de la charge volumique sur le rendement épuratoire en DCO ............................... 11 Figure 7: Influence de la charge massique sur la DCO résiduelle......................................................... 12 Figure 8: Influence de la charge massique sur le rendement épuratoire en DCO ................................. 12 Figure 9: Le mélange fongique (Asn-Muh-Gag) utilisé dans le traitement biologique ........................ 13 Figure 10: Croissance mycélienne sur le lactosérum doux à différents concentration de lactose ......... 15 Figure 11: Suivi de la DCO soluble sur les différents essais de l’étude ................................................ 16 Figure 12: Rendement de l’abattement de la DCO soluble au bout de 150 h de traitement.................. 17
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Introduction Ces dernières années, le Maroc est devenu un grand producteur et consommateur de lait et de ses dérivés. Selon le Ministère marocain de l’Agriculture et du Développement Rural, la production annuelle est encore en augmentation. En plus, les rejets de l’industrie laitière constituent non seulement une perte importante de source organique valorisable mais engendrent également un problème de pollution pour l'environnement. Cependant, le traitement de ces résidus est une préoccupation majeure des industriels qui sont soumis à une réglementation de plus en plus exigeante. Et de ce fait, l’élimination ou le traitement des effluents représente une part importante du budget consacré à l’environnement. En effet, l’effluent rejeté est riche en matières organiques et en bactéries en plus de la variabilité de son acidité. Différents types de déchets liquides sont produites au cours de la transformation de lait, on trouve les eaux usées issus des nettoyages de l'équipement et des tuyaux, l'eau de refroidissement, les eaux usées domestiques, le lactosérum acide et sucré. Le lactosérum forme l'effluent le plus polluant des déchets des industries laitières. Il est saturé en matière organique présenté essentiellement par le lactose, les protéines, les acides aminés comme la lysine et le tryptophane, les vitamines du groupe B tel que la thiamine et la riboflavine en plus des microorganismes. Cependant, il est d’une importance indéniable et peut être valorisable à forte valeur ajoutée pour les industriels. Généralement, plusieurs techniques de valorisation ou de traitement des effluents sont utilisées, mais le choix de la technique dépend essentiellement des caractéristiques physicochimiques et biologiques des rejets et de la nature des milieux récepteurs. Au Maroc et dans la plupart des cas, ces effluents ne sont ni traités, ni valorisés, par contre ils sont déversées directement dans les milieux récepteurs. Cet état de fait est dû à deux causes principales :
Le renforcement généralisé de la législation concernant les eaux résiduaires. La transformation des usines traitant le lait et qui deviennent de plus en plus importantes.
Il existe maintenant des usines de très grandes tailles qui utilisent de grandes quantités d'eau et qui rejettent des masses de polluants qui sont sans commune mesure avec celles provenant des petites installations d'autrefois. Il en résulte que les tolérances qui étaient alors admissibles ou les méthodes qui étaient utilisées ne sont plus actuellement possibles. Nous allons essayer, dans cet article, de définir les principaux aspects de ce problème et de mettre en évidence les moyens à mettre en œuvre pour le résoudre. Afin d’en savoir plus, nous avons réalisé une recherche qui s’intéresse au traitement de ces effluents par des procédés biologiques en utilisant une biomasse fongique spécifique permettant de réduire davantage la pollution carbonée sans augmenter la production de boues. Les champignons ont été amplifiés dans un bioréacteur sur l’effluent lui-même, en plus les facteurs influençant ce type d’épuration ont été déterminé et le procédé de traitement a été optimisé en plus l'efficacité de différents tests a été contrôlée. Le traitement de ces effluents permettra à la fois de protéger l’environnement, de réutiliser l’eau épurée en irrigation et de valoriser les boues résultantes en agriculture.
Traitement biologique des effluents laitiers
I. Polluants des eaux usées de laiterie On peut trouver dans les effluents de laiterie deux catégories principales de polluants :
Les produits laitiers eux-mêmes, matières premières ou produits finis. Les réactifs utilisés pour les lavages et qui sont le plus souvent des produits acides (acide nitrique), des produits basiques (à base de soude) et des produits stérilisants (eau de javel).
Il s'agit essentiellement de réactifs minéraux qui n'entraînent pas de pollution spécifique (les composés minéraux n'apparaissant pas dans les textes officiels), et qui sont de toute façon en faible concentration. Par contre, ils peuvent entraîner des pointes de pH soit dans le domaine basique, soit dans le domaine acide. Il faut également signaler le risque de pollution accidentelle qui peut exister du fait de la présence de compresseur à ammoniac. Il est souhaitable de prendre des précautions préliminaires pour éviter le rejet massif d'ammoniac en cas de rupture de tuyauteries. Les produits laitiers se caractérisent, en ce qui concerne la pollution par une teneur en insolubles et par une DBO5 élevée. En fait, il est important de considérer la DBO car les matières en suspension sont difficiles à séparer et sont constituées surtout de matières organiques qui ont elles-mêmes une DBO. On trouve les valeurs suivantes pour quelques produits courants:
Lait entier (à 3,6 p. 100 de mat. grasses)………………………….103000mg/I de DBO5 Lait écrémé (à 0,1 p. 100 de mat. grasses)………………………….73000mg/I de DBO5 Lait concentré (à 7,9 p. 100 de mat. grasses)…………………..…208000mg/I de DBO5 Lait en poudre écrémé (à 0,9 p. 100 de mat. grasses)……………737000mg/kg de DBO5 Crème (à 40 p. 100 de mat. grasses)………………………………399000mg/I de DBO5 Petit lait……………………………………………………………32000mg/I de DBO5 Babeurre…………………………………………………………….2000rng/I de DBO5
On voit que ces valeurs sont particulièrement élevées, mais il est important de noter que pour le lait le rapport DCO/DBO est relativement proche de 1, ce qui traduit la bonne aptitude à la dégradation biologique des composés chimiques contenu dans le lait. Cette remarque ne fait que confirmer que le lait constitue aussi pour les micro-organismes un excellent aliment équilibré en azote et phosphore et qu'il est possible d'épurer les effluents contenant du lait par un processus biologique. Il faut cependant signaler que le babeurre et le sérum n'ont pas les mêmes rapports DBO/N et DBO/P que le lait. Ils seront donc moins aptes à la synthèse de matière vivante, ce qui explique la difficulté de leur élimination quand ils ne sont pas mélangés avec des produits plus riches qu'eux en azote et phosphore. Il est bien évident que le lait n'est pas un produit toxique en luimême. S'il est rejeté en quantité modérée dans les rivières il constituera un bon aliment pour les poissons. Si les masses évacuées dans le milieu naturel augmentent, la DBO du milieu va augmenter et deviendra à un moment supérieur à la capacité de réoxygénation. La teneur en oxygène dissous va donc diminuer et il en résultera un danger de mort par asphyxie du poisson, alors même qu'il se trouve en présence d'une nourriture abondante. Ceci explique que l'on voit souvent de nombreux poissons autour· d'une buse de rejets de laiterie, alors qu'en aval là ou l'oxygène dissous a disparu les poissons meurent. Il faut remarquer également que la pollution par des produits laitiers est provisoire, leur caractère de biodégradabilité qui fait leur danger, 1 GPEE ENSA Khouribga
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entraîne également qu'ils sont progressivement détruits et que la rivière retrouve, après un certain temps, une qualité sinon d'origine du moins suffisante. Il apparaît ainsi que les risques présentés par les rejets ne seront pas proportionnels à l'augmentation de sa capacité (donc de ses rejets) mais pourront atteindre un seuil critique au-delà duquel la vie aquatique ne sera plus possible en aval du point de rejet.
II. Origines de la pollution L'eau est utilisée à deux fins essentielles dans une usine laitière: Le refroidissement. Le lavage des appareils, des récipients et des sols. Le refroidissement n'entraîne pas de pollution autre que thermique. Il est cependant assez fréquent de trouver des eaux dont la température dépasse parfois le seuil de 30° C fixé par la législation. Les opérations de lavages sont celles qui sont à l'origine de la pollution ; elles entraînent, ainsi que nous l'avons vu, le rejet de lait ou de produits laitiers et des produits utilisés pour le lavage. La pollution essentielle sera due au lait et aux produits laitiers et sera ainsi due aux pertes qui peuvent exister à chaque poste. Il est évident que pour une même perte de lait, les concentrations en DBO seront fonction de la quantité d'eau utilisée. Il faut noter que les concentrations moyennes sont de beaucoup supérieures aux normes et que pour les atteindre il faudrait une dilution tout à fait considérable. D'autre part, les taxes sont basées sur des flux de pollution et non plus des concentrations ; les volumes d'eau utilisés n'interviennent donc plus. Nous allons essayer de passer en revue les différents stades par lesquels peut passer le lait et nous donnerons quelques valeurs des flux spécifiques de pollution qui peuvent provenir de chacun d'eux. Il s'agira bien entendu de valeurs moyennes qui ne seront qu'indicatives. Il faut souligner une des caractéristiques importantes de la pollution laitière: elle provient d'opérations (lavages) qui sont essentiellement discontinues. On observera des concentrations qui varient beaucoup au cours du temps et qui rendent difficiles des mesures de pollution particulière.
1. Réception du lait Le lait est reçu par l'usine, en bidons ou parfois en citernes. La pollution est due au lait perdu qui reste au fond des récipients avant leur lavage et dans une mesure beaucoup moindre, au lait répandu par terre au cours de son transfert. Plus les récipients qui sont utilisés sont petits, plus la perte du lait (et donc la pollution) est 'proportionnellement forte. La perte de lait à ce poste est souvent évaluée à 2 à 3 p. 1000 de la quantité reçue. Une source supplémentaire de pollution à ce poste est le lavage de la carrosserie des camions. Il entraîne le rejet d'insolubles en quantité souvent importante, mais n'est pas la source de beaucoup de DBO.
2. Tanks de stockage La pollution, là encore est due au lait qui reste dans les récipients au moment où ceux-ci sont nettoyés. La forme des cuves, la place des tuyauteries de vidange auront une importance sur la quantité résiduelle du lait. Plusieurs expériences ont montré que les pertes étaient souvent notablement plus importantes à ce poste qu'au lavage des bidons et des citernes de ramassage.
3. Pasteurisateur La quantité de DB05 rejetée au moment du lavage de pasteurisateurs peut être très variable suivant l'opérateur. Au cours de cette opération, on envoie en effet la solution de lavage par le circuit du lait. La pollution sera faible si la grande partie du lait contenu dans l'appareil est récupérée avant l'ouverture de la vanne de rejet. Elle peut être beaucoup plus intense si tout le lait est perdu (cette hypothèse est celle qui se rapproche le plus souvent de la réalité). 2 GPEE ENSA Khouribga
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4. Fromagerie Là encore la source essentielle de la pollution sera due aux opérations de lavage du matériel. Dans un atelier de ce type cependant la majeure partie des produits rejetés ne sera plus le lait, mais le sérum. Or, si le lait possède une valeur économique importante qui entraîne le souci d'en perdre le moins possible, le sérum est un sous-produit dont les industriels ont souvent du mal à se débarrasser. Il est donc commode d'en rejeter le maximum à l'égout. La pollution d'un atelier de fromagerie sera donc essentiellement variable suivant le taux de récupération de sérum. Rappelons cependant que tant au point de vue redevances qu'au point de vue épuration, le rejet de sérum est à limiter au maximum. Signalons que le lavage des toiles d'égouttage et le lavage du circuit éventuel des pâtes représentent de loin les opérations les plus polluantes dans une fromagerie.
5. Beurrerie Le babeurre présente, en ce qui concerne la pollution, les mêmes inconvénients que le sérum. Il est de l'intérêt de l'industriel d'éviter au maximum son rejet avec les eaux usées. L'eau de lavage du beurre est normalement évacuée. Il s'agit d'eaux usées qui sont, en général, très chargées et dont la DBO5 atteint plusieurs milliers de mg/I. Les débits sont en général assez faibles.
6. Ateliers de poudre de lait Lorsque la poudre est fabriquée dans des tours, celles-ci ne sont lavées qu'à des intervalles de temps assez éloignés (de l'ordre d'une semaine). La quantité de DBO qui est alors rejetée peut être importante car on a souvent affaire à des appareils de grande taille et parce que la poudre de lait possède une DBO très élevée. La .pollution peut dépendre de la qualité de la poudre fabriquée: elle semble être maximum lorsque l'on prépare des aliments bétail avec du lait écrémé réengraissé avec du suif (Graisse animale). La poudre colle alors beaucoup plus aux parois et les pertes sont plus importantes. Pour la fabrication de lait en poudre écrémé, les pertes sont de l'ordre de 4 p.1000.
7. Eau de lavage des sols Elle représente souvent un gros débit, qui peut être de l'ordre de la moitié de la consommation générale de l'usine (refroidissements exceptés), mais cette opération n'apporte pas une DBO importante. Dans beaucoup de cas; il est possible d'envisager une réduction de cette consommation par des consignes d'exploitation, par l'installation de robinets appropriés et parfois par la réutilisation de certaines eaux (eau d'évaporation par exemple, s'il existe des installations de concentration).
8. Effluents généraux Le mélange de tous les effluents particuliers d'une usine laitière présente un intérêt essentiel pour le calcul des installations d'épuration. Il présente les caractéristiques principales suivantes:
Les pointes ont une amplitude plus faible que pour les effluents partiels. Ces pointes, tant en débit qu'en concentration, restent importantes et la DBO par exemple est susceptible de varier entre moins de 100 et plus de 1 000 mg/I. Les pH peuvent avoir des valeurs très variables comprises par exemple entre 6 et 12.
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La mesure des matières en suspension est difficile du fait des possibilités de coagulation en fonction du pH. La pollution varie au cours de la journée et au cours de l'année, en fonction de la production (celle-ci est en général maximum au printemps). Les eaux sont putrescibles et ne peuvent être stockées longtemps sans aération. Pour certaines usines, celles en particulier qui font du lait en poudre réengraissé, les effluents contiennent des matières grasses décantables.
A titre d'exemple, nous pouvons prendre le cas d'une laiterie recevant par jour:
180000 1 de lait entier 100000 1 de lait écrémé et fabriquant des pâtes fraîches et du lait en poudre écrémé (aliment bétail).
Cette usine consomme pour ses lavages environ 500 m3 /jour d'eau et rejette de l'ordre de 300 kg/jour de DBO, ce qui représente approximativement une perte de lait de 1p. 100 de la production journalière. (Le sérum est entièrement récupéré). La concentration moyenne en DB05 ressort ainsi à environ 600 mg/I. Cette usine utilise parallèlement 2000 m3 /jour d'eaux de refroidissement qui sont rejetées sans avoir été polluées chimiquement. La répartition de la pollution entre les différents ateliers est la suivante:
Laiterie (lavage des bidons, des tanks, pasteurisateur) environ 75 p. 100 de la DBO et 65 p. 100 du débit d'eaux de lavage (pour 180000 1 par jour de lait entier). Atelier de pâtes fraîches: 4 p. 100 de la DBO et 10 p. 100 du débit d'eaux de lavage pour 24 000 l/jour de lait passant dans cette unité (le sérum est entièrement récupéré). Fabrication de poudre de lait écrémé (210 000 l/j), environ 22 p. 100 de la DBO et environ 25 p. 100 du débit d'eau de lavage.
On constate que les concentrations moyennes dans les différents ateliers sont du même ordre de grandeur et que la plus grande partie de la pollution vient de la première partie du circuit lait dans l'usine. Dans ce cas, on note que l'on consomme pour les lavages d'appareils ou de récipients de stockage, environ 1 m3 d'eau par 1 m3 de lait traité. Les autres consommations d'eau (sanitaires, lavage des sols...) doublent ce chiffre. Ces valeurs n'ont qu'un caractère documentaire car on constate des différences importantes suivant les usines. Celles-ci sont dues à la nature des fabrications mais aussi à la nature du matériel, aux techniques utilisées pour les lavages et même au personnel d'exploitation. Il serait donc dangereux de vouloir extrapoler ces résultats pour n'importe quelle usine et il est de l'intérêt de l'industriel de vérifier avec soin la pollution qu'il apporte et les moyens de la réduire de l'intérieur même de l'usine. Il apparaît cependant intéressant de noter que pour cette usine la pollution réelle est assez nettement inférieure à celle qui serait calculée à partir du barème de pollution établi pour la perception des redevances sur les rejets.
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III. Procèdes classiques de l’épuration des eaux usées Nous avons vu que la pollution des eaux de laiterie se caractérisaient essentiellement par leur DBO et que le rapport DCO/DBO est relativement proche de 1. Ceci signifie que les produits organiques polluants sont susceptibles d'être détruits par l'action des micro-organismes. Il est tout naturel alors d'utiliser cette aptitude pour l'épuration des eaux. Il est bien entendu possible, sur le plan théorique, d'imaginer d'autres processus d'épuration. On constate en fait que les techniques de séparation de solides sont sans grands effets et que les procédés chimiques ou physico-chimiques d'élimination de produits dissous sont difficiles à mettre en œuvre et coûteux. En pratique, seule l'épuration biologique est appliquée au traitement des eaux résiduaires de laiterie. Cette technique peut prendre de différents aspects :
1. L'épandage L'épandage consiste à disperser sur le sol les eaux résiduaires. L'épuration se fait au cours de la traversée de la couche de terre. Pour qu'une telle opération soit efficace, il faut que les surfaces utilisées soient importantes et que la filtration soit assez lente. On observe malgré toutes les précautions un colmatage du terrain et l'impossibilité d'utiliser cette technique par temps humide alors que la terre est déjà gorgée d'eau. L'épandage a pendant longtemps été utilisé de façon courante mais rarement dans des conditions satisfaisantes. Le développement de la taille des usines fait qu'il est de plus en plus difficile à appliquer et les Pouvoirs Publics le déconseillent assez fortement. Il faut remarquer, en outre, que l'épandage demande un investissement qui est loin d'être négligeable. Il faut prévoir des tuyauteries qui peuvent être longues et de la main-d'œuvre pour déplacer ces installations. L'épandage ne peut plus, à notre avis, être considéré comme une technique d'épuration applicable aux unités modernes.
2. Les boues activées L'épuration par boues activées consiste à reproduire artificiellement les conditions qui existent dans une rivière et qui assurent son autoépuration. Ceci consiste à maintenir en présence des microorganismes, de l'oxygène (c'est-à-dire de l'air) et l'eau à traiter. Il est bien évident que l'on opère avec des quantités considérables de micro-organismes de façon à avoir des vitesses de réaction très supérieures à celles qui sont observées dans le milieu naturel qui est dilué. En pratique on réalise des bassins dans lesquels sont envoyées les eaux usées à traiter. L'air est introduit par un moyen mécanique quelconque, turbines de surface, bullage, brosses, etc. Les microorganismes sont introduits au démarrage et se développent naturellement du fait de la présence d'un milieu nutritif favorable. On maintient leur concentration dans ce bassin au moyen d'un recyclage à partir du décanteur secondaire. En effet, les micro-organismes responsables de l'épuration sont en suspension dans le milieu. Il faut donc les séparer de l'eau pour pouvoir rejeter celle-ci. On place donc à la suite du bassin d'aération un appareil séparateur, qui est presque toujours un décanteur, d'où l'eau débarrassée des insolubles est rejetée. Les solides séparés, qui contiennent les micro-organismes sont en majeure partie recyclés dans le bassin. Une autre partie, qui représente l'excès de boues qui s'est formé au cours de l'épuration est évacuée. Les matières organiques détruites au cours de l'épuration servent, pour une part, à former de la matière vivante. Il y a donc transfert des polluants avec disparition de la DBO et apparition de solides. Ces solides dans un premier stade sont putrescibles, ce qui rend difficile leur évacuation, car celle-ci doit être très rapide. Dans la très grande majorité des cas, on se trouve donc contraint de stabiliser ces solides pour éviter
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leur évolution ultérieure. Pour traiter ces boues on utilise presque toujours un processus biologique qui revient à l'autodestruction des micro-organismes. Ce processus peut être aérobie ou anaérobie. La stabilisation a pour conséquence de réduire la masse de solides à extraire. Elle présente donc le double avantage de diminuer les tonnages et de faciliter leur manipulation ou leur stockage. Le traitement anaérobie ne nécessite bien entendu pas l'introduction d'oxygène, ce qui oblige de dépenser de l'énergie. Il se fait dans des appareils fermés qui sont coûteux d'investissement. Il y a production de gaz combustibles qui sont utilisés pour réchauffer la masse (donc augmenter la vitesse et réduire la taille des appareils). La digestion anaérobie est employée de façon courante pour l'épuration des eaux usées urbaines pour lesquelles on utilise aussi un procédé biologique. Pour les laiteries son intérêt est beaucoup plus réduit. En effet, il est très important d'éviter l'apparition de fermentations acides au cours de la digestion. Ce type de fermentation est une évolution normale pour des eaux contenant des produits laitiers. Il existe alors un risque très important de mauvais fonctionnement d'un digesteur et cette technique est peu utilisée. Le traitement aérobie des boues découle de l'observation qui a été faite, montrant qu'il existe trois phases au cours d'un processus biologique :
La première phase est l'adsorption par les bactéries, des produits nutritifs qui sont responsables de la DBO. Il s'agit d'un phénomène, en grande partie, physique et qui est rapide. L'eau se trouve épurée mais les polluants ne sont pas encore profondément transformés. Il n'y a eu que transfert de la pollution. Une seconde phase est l'assimilation par les micro- organismes, de la nourriture adsorbée. Une partie est oxydée, l'autre sert à la production de nouvelle matière vivante. Il y a transformation de la pollution et consommation d'oxygène. Cette phase est plus lente mais est rendue possible du fait que le temps de séjour des boues dans le bassin est, à cause du recyclage, plus élevé que le temps de séjour de l'eau. La dernière phase est l'autodestruction des micro-organismes qui est un processus lent et dont l'importance relative n'est grande que dans un milieu pauvre en DBO. C'est ce que l'on appelle la respiration endogène.
Dans un bassin à boues activées les trois phases se font simultanément, des bactéries existant à chacune de ces étapes. Pour mettre à profit l'autodestruction des micro-organismes, deux techniques existent:
Soit maintenir dans le bassin pendant un temps prolongé les micro-organismes. Pour arriver à ce but, il est évident qu'il faut des bassins de grande taille où la quantité de DBO par unité de temps et par unité de volume est faible. On a alors ce qui est appelé en général l'oxydation totale. Soit extraire du bassin de traitement des boues non encore stabilisées et les envoyer dans un autre bassin où elles sont aérées pendant un temps prolongé. Cette technique présente comme principal avantage de conduire à un volume total d'aération nettement plus faible que dans le cas précédent. Elle conduit par contre à des installations plus compliquées qui ne sont économiques en investissement qu'à partir d'une certaine taille.
Une dernière étape éventuelle est la déshydratation des boues résiduelles qui existent toujours. Il faut en effet être conscient de ce que les solides à évacuer sont toujours extrêmement dilués et qu'ils représentent donc des volumes assez considérables. La déshydratation peut se faire sur des lits de séchage qui sont des filtres de très grande dimension à ciel ouvert, où l'évaporation 6 GPEE ENSA Khouribga
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joue son rôle. Les lits de séchage sont malheureusement très sensibles aux conditions atmosphériques et leur fonctionnement est bien souvent décevant. Il existe aussi des procédés mécaniques, filtration sous vide, centrifugation, coûteux et demandant de la main-d'œuvre. Ils sont de ce fait difficilement utilisables dans les usines qui ne sont pas de très grande taille.
IV.
Procédé RBS
Les RBS constituent une variante particulière de procédé par boues activées. Les mêmes principes de base du traitement biologique telles la formation d’une biomasse en suspension, la concentration de celle-ci dans un réacteur biologique et la séparation de la biomasse de l’effluent traité s’appliquent aux RBS, de sorte que les mêmes modèles et paramètres cinétiques peuvent être utilisés, en intégrant des adaptations nécessaires pour tenir compte des cycles. La particularité de cette variante est que la décantation de la biomasse s’effectue directement dans les bassins d’aération plutôt que dans un décanteur séparé. Le procédé fonctionne en mode discontinu selon une séquence comprenant typiquement les phases suivantes : remplissage, réaction, décantation, soutirage du surnageant et repos. L’extraction des boues peut se faire soit en phase de réaction, soit en phase de repos. Cette technologie s’est largement développée aux États-Unis depuis le début des années 1980. En 1997, on comptait plus de 200 stations, dont 70 % sont de capacité inférieure à 1 900 m 3/j. Au Québec, trois stations d’importance ont été réalisées pour le traitement des eaux usées municipales. Il s’agit de stations d’une capacité d’environ 20 000 m3/j chacune.
Figure 1: Exemple de bioréacteur à membranes externes La station d'épuration RBS (réacteur biologique séquentiel) fonctionne suivant le principe de l'aération prolongée, avec un même ouvrage servant alternativement de bassin d'aération et de bassin de décantation. Cette méthode peut se faire dans une station de la façon suivante:
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a) Traitement des eaux L'effluent est introduit dans un bassin en acier vitrifié, et jouant les rôles successifs d'aérateur et de décanteur : 1ère Opération - Aération : Les eaux usées sont introduites dans un bassin dit d’aération, dans lequel est entretenu le floc bactérien. Ce bassin, largement dimensionné comme indiqué dans la note de calcul, sert de réacteur biologique. Un ensemble d’oxyjets assure le brassage efficace de toute la masse liquide, ainsi que le transfert de l’oxygène de l’air, par dispersion de l’effluent pompé dans l’air ambiant. Cette double action des oxyjets permet l'épuration biologique de l'eau. - 2ème Opération - Décantation : Au bout d'un temps suffisamment long, l'aération s'arrête et l'ouvrage entier est laissé au repos, jouant le rôle d'un grand décanteur. - 3ème Opération - Evacuation : Un dispositif d'évacuation permet à l'effluent surnageant d'être évacué avant la remise en marche de l'aérateur, pour un nouveau cycle de fonctionnement. b) Traitement Des Boues -
Les boues fraîches, après un séjour prolongé dans le bassin d’activation, sont évacuées vers le poste de relevage pour être mélangées.
1. Rappels Bibliographiques Le réacteur biologique séquentiel (RBS) a été appliqué avec succès par [1], [2], [3], [5], [7], [8], [9], [10] [15], sur des effluents de fromageries et de laiteries et par [6] sur les effluents de limonaderies. Ce procédé qui a l’avantage d’être compact est particulièrement bien adapté à une production discontinue des effluents. Selon [9], le traitement par le RBS d’effluents de fromagerie avec une charge volumique de 0,51 kg DCO/m3.j permet un abattement de 98 % de la DCO et de 97 % des MES. Dans le cadre du traitement d’effluents laitiers et plus généralement des effluents issus de l’industrie agroalimentaire, la comparaison des différents procédés biologiques utilisables a montré que le SBR est le plus performant [2]. Le mode discontinu autorise le couplage du temps de séjour hydraulique et du temps de séjour des boues, le réacteur jouant le rôle de décanteur. En effet, le RBS permet l’abattement de 99 % de la matière organique, 100 % des MES, 94% de l’azote Kjeldahl et 87 % du phosphore total. En plus du rendement épuratoire élevé, le SBR présente des avantages de coûts d’investissement et de maintenance réduits, de modularité, d’adaptabilité et d’automatisation. Selon [3] et [5], si les dépenses liées à l’installation du SBR sont plus avantageuses, cependant les coûts de fonctionnement sont défavorables (consommation d’énergie élevée). Castillo de Campins [2] a étudié l’influence du nombre de cycles d’aération et du volume de pied de cuve (volume de boues conservées) entre chaque cycle de traitement sur les performances épuratoires dans le cas de très fortes charges appliquées allant de 1,7 à 5,4 kg DCO/m3.j. Le volume total du réacteur est de 2 litres et le pied de cuve est de 0.45 litres. Les essais de biodégradabilité ont été effectués avec des effluents modèles variés et élaborés avec du lait entier dilué jusqu’à 50 fois et amendés ou non. L’effluent d’entrée présente des teneurs en DCO brute allant 2900 à 3675 mg/l, un pH oscillant entre 6.47 et 7.56 et des MES comprises entre 1.08 et 3.33 g/l. Les résultats obtenus sur l’effluent traité montrent des valeurs de DCO solubles allant 0 à 550 mg/l, des niveaux de pH de 6.52 à 8.25 et des MES de 0.73 à 4.3 g/l.
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2. Influence de différents paramètres 2.1. Influence du temps d’aération et de la teneur en DCO d’entrée Les figures (2), (3) et (4) montrent que, quel que soit la teneur en DCO de l’effluent à traiter (220 à 7000 mg/l), la DCO résiduelle de l’effluent épuré diminue lorsque le temps d’aération augmente. De façon générale, on observe une phase initiale de dégradation rapide jusqu’ à 20 heures d’aération, sans période de latence, suivie d’un ralentissement. Pour de faibles concentrations en DCO d’entrée (220 – 2640 mg/l) de l’effluent synthétique, un temps d’aération de 20 heures suffit pour assurer un effluent de composition très largement conforme aux normes de rejet, figure (2). Le même résultat est obtenu en traitant l’effluent réel rejeté par la laiterie, figure (3). Ce temps d’aération correspond à celui du SBR traitant des effluent de laiterie à 12 g DCO/ l, rapporté par [1]. Ce résultat montre que le choix du bioréacteur séquentiel est plus avantageux que le procédé par boues activées classique, utilisé par [12] et [13], qui a nécessité 24 heures d’aération avec 100 % de recyclage pour n’éliminer que 1250 mg DCO/l Pour des valeurs en DCO à l’entrée plus importantes (3120 – 7000 mg/l), le temps d’aération requis est plus important. Ainsi, il faut 48 heures d’aération pour réduire 7000 mg DCO/l à une valeur proche de 120 mg/l, à peine conforme à la norme de rejet, figure (4). Cependant ce temps d’aération obtenu en RBS est nettement inférieur aux 4,5 jours d’aération requis par le procédé à boues activées expérimenté par [14] pour traiter un effluent de laiterie à 6210 mg DCO/l.
Figure 2: Influence du temps d’aération sur la DCO résiduelle
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Figure 3: Influence du temps d’aération sur la DCO résiduelle d’un effluent réel
Figure 4: Influence du temps d’aération sur la DCO résiduelle
2.2.
Influence de la charge volumique (Cv)
Les essais sont effectués avec des charges volumiques allant de 0.075 à 2.52 kg DBO5/m3.j correspondant à 0.130 à 4.36 kg DCO/m3. La figure (5) montre que la DCO résiduelle est une fonction exponentielle de la charge volumique jusqu’à 2.52 kg DBO5/ m3 .j. Au-delà de 1,2 kg DBO5/ m3.j, la DCO résiduelle dépasse la norme de rejet. La figure (6) montre que le rendement d’élimination de la pollution organique est supérieur à 95 % dans le domaine des moyennes charges (Cv ≤ 1 kg DBO5/ m3.j). Pour une DCO d’entrée de 7000 mg/l, le rendement avoisine 98 % et la charge volumique correspond à 1.2 kg DBO5/l. Ces rendements élevés correspondent à ceux rapportés par [3] et [9]. Ces performances apparaissent cependant plus élevées que celle obtenues par [2] sur le traitement par RBS d’effluents similaires présentant une DCO d’entrée comprise entre 2900 et 3675 mg/l correspondant à Cv compris entre 1.7 et 5.4 kg DCO/ m3.j.
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Pour cet auteur, la biodégradation complète d’un effluent de 3000 mg DCO/l a nécessité une période d’adaptation des microorganismes au substrat laitier de 53 heures.
Figure 5: Influence de la charge volumique sur la DCO résiduelle L’expérience effectuée par [2] s’est déroulée sur 248 heures avec 15 cycles réalisés sur une séquence moyenne de 10 heures d’aération et 1.5 heures de décantation. Les valeurs de la DCO solubles relevée alors en fin de cycle sont généralement de l’ordre de 300 mg/l ; elles sont supérieures à la norme de rejet et ne permettent pas d’obtenir des effluents suffisamment clarifiés pour raison de difficultés de décantation.
Figure 6: Influence de la charge volumique sur le rendement épuratoire en DCO
2.3.
Influence de la charge massique (Cm)
La figure (7) montre que la DCO de l’effluent traité augmente sensiblement avec la valeur de la charge massique appliquée au-delà 0.25 kg DBO5/kg MVS.j L’efficacité du procédé qui avoisine 100% décroit à partir d’une valeur de 1.2 kg DBO5/ kg MVS.j, figure (8). La teneur
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en MES dans le bioréacteur est contrôlée par le niveau du pied de cuve maintenu entre deux vidanges successives du surnageant. Selon les essais, elle a oscillé entre 0.5 et 5.8 g/l. En absence de soutirage, elle dépend essentiellement de la croissance de la biomasse épuratrice et de la nature de l’effluent. Lorsque la charge en DCO appliquée devient importante le contrôle des MES est difficile à cause de la mauvaise décantation des boues qui persistent dans le surnageant après la phase de décantation. Le temps de décantation devient alors le principal facteur influençant la performance du procédé. Un phénomène de gonflement des boues, caractérisé par un indice de Mohlman élevé (≥150), a été observé.
Figure 7: Influence de la charge massique sur la DCO résiduelle
Figure 8: Influence de la charge massique sur le rendement épuratoire en DCO
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V.
Procédé de traitement biologique par microorganismes 1. Souches utilisées
Nous allons parler d’un mélange (Asn-Muh-Gag) de trois souches de champignons Aspergilus niger, Mucor hiemalis et Galactomyces geotrichum fourni par le laboratoire biotechnologique de la Faculté des Sciences Dhar Mehraz (FSDM), Fès, Maroc (figure 1). Les mycètes ont été conditionnées dans un bidon opaque de 5L sous forme d’un mélange liquide d’inoculum en présence d’un milieu nutritif à base de lactose [17].
Figure 9: Le mélange fongique (Asn-Muh-Gag) utilisé dans le traitement biologique Les photos sont prises par microscope électronique à balayage.
2. Caractérisation de l’effluent Généralement au Maroc, la production laitière connaît deux périodes; une haute lactation (de mars à septembre) et une basse lactation (d’octobre à février). La moyenne annuelle du volume des déchets liquides rejetés par LVRS (l’unité de transformation de lait de la Ville Rabat/Salé) est 900 m3 /j (dont 7,5 m3/j de lactosérum) avec 4,7 litre d’effluent liquide/ litre de lait traité. Le tableau 1 montre la composition de l’effluent. [17] Tableau 1: Composition physico-chimique moyenne de l'effluent laitier (LVRS) pendant les deux périodes de l’année (basse et haute lactation)
MES: Matières en suspension ; DCO: Demande Chimique en Oxygène; DBO5 : Demande biologique en Oxygène pendant 5 jours; NTK: Azote Kjeldahl; P: Phosphore; MG: Matière Grasse. Ces valeurs montrent que la charge polluante de l’effluent laitier est très variable. Cela est dû à sa composition principale en eaux blanches de rinçage des opérations et de nettoyage en place avec un volume total de 60 à 90 % et aussi à la présence de 1 à 3 % de produits laitiers perdu
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au cours de la transformation du lait. Le tableau 2 présente les caractéristiques de différents constituants de l’effluent laitiers de LVRS selon les différentes étapes de transformation. Tableau 2: Composition physico-chimique moyenne de l'effluent laitier (LVRS) pendant les deux périodes de l’année (basse et haute lactation)
MES: Matières en suspension ; DCO: Demande Chimique en Oxygène; DBO5 : Demande biologique en Oxygène à 5 jours; NTK: Azote Kjeldahl; P: Phosphore total; MG: Matière Grasse. Les valeurs enregistrées de MES, DCO, DBO5, Azote total Kjeldahl et Phosphore total ainsi que les valeurs de pH et de température dépassent largement les valeurs fixées par les normes marocaines [16]. La composition de ces effluents s’apparente à celle du lait plus ou moins dilué. Les rapports DCO/DBO5, sont compris entre 1,5 et 2, ce qui confère à ces effluents une bonne biodégradabilité. De plus, le ratio moyen DBO/NTK/P de 100/6/4 est satisfaisant par comparaison aux besoins du traitement biologique (100/5/1), avec cependant un léger excédent de phosphore. Il convient toutefois de s’assurer de la disponibilité de ces éléments pour les micro-organismes épurateurs [17]. Aussi, la moyenne annuelle du volume des déchets rejetés par LVRS est légèrement élevée en comparaison avec une autre étude. Il serait donc nécessaire au cours de la transformation du lait, de réduire les volumes d’eaux résiduaires rejetées pour se situer dans les normes entre 1,5 et 2 litre d’effluent par litre de lait traité et aussi de recycler et réutiliser les eaux non polluées comme les eaux de refroidissement et de condensats [17]. Tableau 3: Composition biologique moyenne de l'effluent laitier (LVRS) pendant les deux périodes de l’année (basse et haute lactation)
Le tableau 3 présente les caractéristiques bactériologiques de l’effluent total rejeté par l’unité LVRS. Le rapport coliformes fécaux / streptocoques fécaux est inférieur à 1, ce qui témoigne d’une contamination fécale d’origine animale (streptocoques fécaux) des échantillons étudiés. Finalement, les résultats du tableau 1 et 2 montrent l’importance de la quantité de matière 14 GPEE ENSA Khouribga
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organique valorisable dans l’effluent étudié et qu’il est nécessaire de le traiter avant tout rejet ou utilisation éventuelle.
3. Développement des mycètes sur le lactosérum doux et sur l’effluent 3.1.
Biodégradation du lactosérum doux
Dans un premier temps nous allons présenter une étude sur le développement des champignons Aspergilus niger, Mucor hiemelis et Galactomyces geotrichum, dans une solution de lactosérum déshydraté à différentes concentrations en lactose: 5; 15 et 30 g.L-1. Compte tenu de sa concentration élevée en DCO (environ 6 g DCO.L-1), le lactosérum représente la majeure partie de la charge polluante émise (80 à 85 %) par les industries laitières [17]. La figure 3 désigne la croissance mycélienne sur le lactosérum à différentes concentration de lactose.
Figure 10: Croissance mycélienne sur le lactosérum doux à différents concentration de lactose
La concentration du lactose dans la composition de lactosérum semble être un paramètre important dans le développement de la biomasse fongique spécifique puisque la croissance des champignons augmente avec l’augmentation de la concentration en lactosérum. On peut conclure que les champignons étudiés ont la possibilité d’utiliser le substrat carboné (lactose) contenu dans le lactosérum pour se développer. Des études ont montré que ces organismes sont en général résistants au pH acide (pH de lactosérum et même de l’effluent laitier total), ils peuvent se développer à des températures variantes (de 0°C à 50°C) et supportent souvent des
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activités de l’eau faibles dans des milieux ayant une forte pression osmotique. Ils sont capables de produire des enzymes hydrolytiques (lipases et protéases utiles dans la biodégradation d’effluents d’industries agroalimentaires). En plus, ces champignons se multiplient par des spores formés à partir du mycélium qui sont des organes de résistance servant à la propagation. En conditions favorables d’humidité les spores peuvent germer et redonner un mycélium qui pourra à son tour sporuler et contaminer un autre milieu. Ces particularités leur confèrent une forte compétitivité, notamment avec les levures et les bactéries, et une large gamme d’utilisation en industries agroalimentaires.
3.2.
Biodégradation de l’effluent de l’industrie laitière (ELT)
Dans un deuxième volet, la biodégradabilité de l’effluent laitier total (ELT) par le mélange fongique utilisé, a été étudiée. Dans cette partie du travail, le pH a été ajusté à 7 puisque le pH de départ est de 3,5 sauf pour les essais contenant du LDC7 à 3,5 g.L-1 qui joue le rôle de tampon. Le volume d’effluent est de 1 litre. Les résultats obtenus sont représentés dans les figures 4 et 5 [17].
Figure 11: Suivi de la DCO soluble sur les différents essais de l’étude ELT : Effluent laitier total sans inoculation. EICNA : Essai inoculé avec les champignons non amplifiés. EICA1, EICA2 et EICA3 : Essais par les champignons amplifiés pendant 65 heures réalisés respectivement sur le lactosérum à 5 g/L de lactose, sur effluent laitier total et sur l’effluent laitier total après ajustement du pH à 7 avec KOH 10 M. EICA1-LDC7 , EICA2-LDC7 et EICA3-LDC7 : Essais additionnés avec LDC7.
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Figure 12: Rendement de l’abattement de la DCO soluble au bout de 150 h de traitement Les tests préliminaires indiquent que les champignons ont la possibilité de se multiplier et de se développer activement sur l’effluent. Ce résultat peut être expliqué par le fait que l’effluent ELT est non seulement riche en lactose et en protéine mais aussi en matières minérales. Les vitesses de développement sont maximales pour les essais avec LDC7 dès les premières heures de culture et ceci pour les différents essais amplifiés (EICA1-LDC7, EICA2-LDC7, EICA3LDC7). On remarque aussi qu’il est préférable d’amplifier au préalable les champignons sur l’effluent lui-même pour avoir une bonne croissance. La figure 5 montre le rendement de l’abattement de la DCO soluble au bout de 150 h de traitement. Le premier résultat a permis de visualiser le rôle de la flore endogène. En effet, on constate que le fait d’aérer et d’agiter l’effluent permet aux micro-organismes présents naturellement dans l’effluent de se développer. Toutefois l’ajout de mycètes amplifiés permet d’augmenter le rendement final de l’abattement de la DCO qui atteint environ 83 %. Pour les essais sans LDC7 il est préférable d’amplifier les mycètes sur l’effluent lui-même pour obtenir des rendements supérieurs à 70 %. L’abattement de la DCO par la flore endogène est assez élevé mais cela ne se produit jusqu’à la fin de traitement, alors que pour les essais inoculés avec les champignons amplifiés sur l’effluent, la DCO diminue dès les premières heures de traitement. Ainsi, l’utilisation d’une flore exogène spécifique comme le mélange de mycètes (Asn-Muh-Gag) permet de travailler avec des temps de séjour plus courts dans le bassin biologique de la station de traitement des effluents.
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Conclusion Les eaux usées de laiterie posent un problème d'épuration de plus en plus important, notamment en raison de l'accroissement de la taille des usines. Il est cependant possible d'épurer de façon satisfaisante de telles eaux usées et les installations bien conçues n'ont pas des coûts d'exploitation très élevés et ne demandent qu'une surveillance restreinte facilement assurée par le personnel de l'usine. L’utilisation du réacteur biologique alimenté séquentiellement (RBS) est adaptée à l’élimination de la forte pollution carbonée, facilement biodégradable, des effluents laitiers. En effet, avec une aération de 48 heures, une décantation de 2 heures et un pied de cuve maintenu entre 20 et 40% du volume utile, le RBS permet de traiter un effluent jusqu’ à 7000 mg/l de DCO conformément aux normes de rejet, soit 98 % d’efficacité. Le temps de décantation, fixé à 2 heures, limite la décantation des boues et ne permet pas d’éliminer plus de 1.2 kg DBO5/m3.j soit 2 kg DCO/m3 .j environ. Nous avons également présenté le traitement d’effluents de l’industrie laitière par l’utilisation des mycètes spécifiques dans un mélange. Les conditions optimales de croissance ont été déterminées et le traitement de lactosérum et de l’effluent laitier ont été réalisé. Les données présentées montrent que les champignons spécifiques se multiplient et se développent en diminuant la DCO avec des rendements de plus de 70% pour le lactosérum et de 83 % pour l’effluent laitier total. Il est préférable d’amplifier les champignons sur l’effluent lui-même afin de les adapter au substrat carboné avant l’étape de bio-traitement. La présence d’un garnissage comme le LDC7 permet d’augmenter les rendements de biodégradation sans influencer la multiplication cellulaire et permet de maintenir le pH par son effet tampon. La présence de sels minéraux dans l’effluent à traiter joue un rôle prépondérant dans le développement des mycètes (Asn-Muh-Gag) et dans l’abattement de la DCO. La mise en commun de deux procédés, l’utilisation de champignons spécifiques amplifiés sur l’effluent lui-même et le garnissage LDC7 permet de traiter les effluents de l’industrie laitière sans augmentation excessive des boues. Dans les perspectives, ces résultats obtenus permettent d’envisager des recherches plus approfondies pour valoriser la biomasse fongique produites dans la production des protéines d’organismes unicellulaires. Ainsi, ils peuvent améliorer les revenus des unités industrielles agroalimentaires.
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