Traitement Physico-chimique Et Biologique d’Un Effluent Laitier Liquide

Rev. Microbiol. Ind. San et Environn. Vol 7, N°2, p : 211-227 ELoutassi et al., 2013

211

TRAITEMENT PHYSICO-CHIMIQUE ET BIOLOGIQUE D’UN

EFFLUENT LAITIER LIQUIDE

N. ELOUTASSI1*, B. LOUASTE

2, L. BOUDINE

2, M. CHAOUCH

3

1 Centre Régional des Métiers de l’Education et de la Formation. Fès. Maroc.

2 Laboratoire de Biotechnologie et de Biologie Moléculaire, Département de biologie,

Faculté des Sciences Dhar Mhraz. P.B. 1796. Atlas. Fès. Maroc. 3 Laboratoire chimie de l’environnement, Département de Chimie, Faculté des Sciences

Dhar Mhraz. P.B. 1796. Atlas. Fès. Maroc.

*Auteur de correspondance : Eloutassi Noureddine : Centre Régional des Métiers de

l’Education et de la Formation, CRMEF, BP 49, 30000, VN Fès, Maroc. E-mail :

[email protected]

RESUME :

Les effluents des industries laitières sont parmi les rejets agroalimentaires les

plus riches en matière organique. L’unité de transformation de lait de la Ville

Rabat/Salè rejette quotidiennement environ 900 m3/j de déchets liquides (dont 7,5 m

3/j

de lactosérum). Ils constituent une source de pollution redoutable par sa richesse en

microorganismes d’une part et de lactose, protéines, vitamines et sels minéraux d’autre

part. Les fortes valeurs de la DCO, de l’azote total, du phosphore total, des coliformes

fécaux et des streptocoques fécaux en témoignent. Cette étude s’intéresse au traitement

de l’effluent laitier par deux procédés différents. Un traitement physico-chimique

(coagulation-floculation) à l'aide de sulfate d'aluminium et d'alginate de sodium. Les

résultats montrent une diminution d’environ 30% de la demande chimique en oxygène,

49% de la turbidité, 78% des matières en suspension et de 20% du phosphore total.

Tandis que le second procédé est un traitement biologique utilisant les souches

Pseudomonas fluorescens et Bacillus spp. Ce dernier procédé a présenté une réduction

considérable des paramètres étudiés encore mieux que le traitement physico-chimique,

avec des fluctuations d’efficacité entre les souches testées.

mailto:[email protected]


212

En conclusion, nous avons mis au point des procédés biotechnologiques,

simples, économiques et respectueux de l’environnement pour traiter les rejets de

l’industrie laitière et diminuer les facteurs polluants.

Mots-clés: Effluent laitier, pollution, traitement physico-chimique, traitement

biologique.

ABSTRACT : Physico-chemical and biological treatment of a dairy

liquid effluent

Effluent dairy industries are among the most organic-rich food waste. The milk

processing unit of the City Rabat / Salè rejects daily about 900 m3/d of liquid waste

(including 7.5 m3/d of whey) They are a source of dangerous pollution by its richness in

microorganisms, lactose, protein, vitamins and minerals which is explained by the high

values of DCO, total nitrogen, total phosphorus, fecal coliforms and fecal streptococci.

This study focuses on the treatment of dairy effluent by two different methods. The first

is a physicochemical treatment (coagulation, flocculation) using aluminum sulphate and

sodium alginate. The results show a decrease of about 30% of chemical oxygen

demand, 49% of turbidity, 78% of suspended solids and 20% of the total phosphorus.

While the second process is a biological treatment using Pseudomonas fluorescens and

Bacillus spp. This process has shown a significant reduction of the studied parameters

even better than the physico-chemical treatment, with fluctuations in efficacy between

the strains tested.

In conclusion, we have developed biotechnological processes, which are simple,

economical and environmentally friendly for treating the discharges of the dairy

industry and reduce polluting factors.

Keywords: Dairy effluent, pollution, physico-chemical treatment, biological treatment.


213

INTRODUCTION

Généralement les marocains sont de grands consommateurs de lait et de ses

dérivés (2700 millions de litres en 2010) selon le Ministère de l’Agriculture et du

Développement Rural (2011). La production annuelle est encore en développement ce

qui peut entraîner des rejets plus en plus importants qui peuvent constituer non

seulement une perte importante de source organique valorisable mais également causer

un problème de pollution de l'environnement (Abdili, 2009).

Les problèmes environnementaux de l’industrie laitière se manifestent par la

variabilité du pH des déchets liquides rejetés et leur richesse en matières organiques et

bactériologiques. En effet, différents types de déchets liquides sont produites, 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 (Hamdani et

al., 2004. Kumar and Karunakar, 2012). Le lactosérum forme l'effluent le plus polluant

des déchets des industries laitières par sa composition biochimique saturé en matière

organique (lactose, protéines, acides aminés comme la lysine et le tryptophane,

vitamines du groupe B tel que la thiamine et la riboflavine en plus des micro-

organismes). Cependant, il est d’une importance indéniable et peut être valorisable à

forte valeur ajoutée pour les industriels (Abdili, 2009. Eloutassi et al., 2011. Ruttara,

2012, Spalatelu, 2012).

En plus, l’importance de la gestion de ces effluents liquides ne cesse de croître car les

déchets organiques entraînent une dégradation physico-chimique et biologique de l'écosystème

aquatique (DBO supérieure à 5000 mg/L). Souvent, ils sont la cause d'une croissance excessif des

algues et des bactéries qui consomment d’avantage l’oxygène de l'eau menant à la disparition

progressive de la faune et de la flore (Foster et al., 2006. Spalatelu, 2012).


214

Actuellement, les normes environnementales exigent aux industriels

l’instauration d’un système de management de l’environnement qui, permet le respect

du milieu naturel en contrôlant la composition des rejets et en étudiant son influence sur

la faune et la flore du milieu. Plusieurs techniques de traitement des effluents sont

utilisées. Le choix entre ces techniques dépend essentiellement des caractéristiques des

effluents ainsi que de la nature du milieu récepteur (Ruttara, 2012. Spalatelu, 2012). Par

contre, au Maroc et dans la plupart des cas, ces effluents ne sont pas traités et sont

déversées directement dans le milieu aquatique (Hamdani et al., 2004. Djekmani 2010).

L’objectif de cette étude est la caractérisation qualitative et quantitative de

l’effluent laitier global brut de LVRS sur une année et l’évaluation des performances et

des limites de son traitement par deux procédés différents ; le traitement physico-

chimique appelé coagulation-floculation à l'aide de sulfate d'aluminium et d'alginate de

sodium et le traitement biologique qui utilise des microorganismes en suspension la

Pseudomonas fluorescens et la Bacillus spp. Nous avons aussi, déterminé les facteurs

influençant ces types d’épurations et optimisé les procédés de traitement pour réduire

les divers paramètres de la pollution et contrôler l'efficacité de différents tests.

MATERIEL ET METHODES

1. Substrats

Le substrat est obtenu à partir de rejet de la grande industrie laitière LVRS

pendant plusieurs périodes de l’année 2011. Les échantillons ont été prélevés dans des

flacons stériles en polyéthylène et transportés au laboratoire dans un délai ne dépassant

pas une heure. Ils ont été mélangés et conservés à 4°C jusqu'à usage. La conservation a

été faite selon le guide général pour la conservation et la manipulation des échantillons

(ISO 5667/3).


215

2. Caractérisation de lactosérum

L'analyse physico-chimique de l’effluent a été réalisée par des méthodes décrites

selon les normes ISO 5667/3 (Hamdani et al., 2004). Les analyses ont concernées: la

température, le pH, la conductivité, la matière en suspension (MES), la demande

chimique en oxygène (DCO), la demande biologique en oxygène (DBO5), les composés

azotés (nitrites, nitrates, azote Kjeldhal) et les composés phosphorés (phosphore total).

Pour les analyses bactériologiques, nous nous sommes intéressé au

dénombrement des streptocoques fécaux sur gélose incubés à 37°C et la numération des

coliformes fécaux par la méthode du nombre le plus probable après culture sur bouillon

de lactose incubés à 44,5°C (Hamdani et al., 2004 et Campbell et al., 2011).

3. Coagulation et Floculation de l’effluent

Différents essais de coagulation et de floculation ont été réalisés sur l’effluent en

utilisant un « Jar test » selon le principe suivant : dans une série de béchers contenant

l’effluent laitier, on introduit différentes concentrations de l’agent coagulant (le sulfate

d'aluminium) en agitant pendant une courte période (200 tours par minute pendant 10

minutes) et à la température ambiante (24 ± 2 °C). Ensuite, le floculant a été ajouté au

substrat précédent (2,5 mg/l d'alginate de sodium) avec une légère agitation (40 tours

par minute pendant 20 minutes). L'efficacité de ce traitement a été évaluée

analytiquement par la surveillance de la turbidité (mesurée en FTU: formazin turbidity

unit), de MES, du DCO, de l’azote total, du phosphore total et du nitrate.

Tableau I : Différentes concentrations du sulfate d'aluminium dans le «Jar test».

Bécher 1 2 3 4 5 6 7

Concentrations du Sulfate d'aluminium (mg/L) 0,5 1 2 4 6 8 10


216

4. Traitement biologique de l’effluent

Ce traitement est réalisé par l'inoculation (109cell/ml) d'un échantillon de

lactosérum (500 ml) soit par Bacillus spp. ou par Pseudomonas fluorescens ou par les

deux bactéries à la fois. Cette association est utilisée afin d’étudier l'efficacité des deux

bactéries dans le traitement et la dégradation du lactosérum. Ces échantillons ont été

placés dans le shaker (agitateur) pendant 20 jours à 100 rpm à température ambiante (24

± 2 °C). Un quatrième échantillon de lactosérum (500 ml) non inoculé et également

placée avec les autres échantillons dans les mêmes conditions. Cet échantillon (témoin)

a été étudié dans le but de déterminer la capacité des bactéries à dégrader la matière

organique. Tous les échantillons ont été oxygénés une fois par semaine (Kristek et al.,

2006. Hazourli et al., 2009. Kabbout et al., 2011. Spalatelu, 2012). L'efficacité du

traitement biologique et son suivi sont étudiés en mesurant les paramètres suivants:

l’absorbance, la DCO, les MES, l’azote total, le phosphore total et le nitrate.

5. Analyse des paramètres de l’effluent

Afin de déterminer l’impact des rejets de LVRS et confirmer la faisabilité et

l’efficacité des traitements physico-chimique et biologique effectués, la composition de

l’effluent, le pH, la DCO, la DBO5 et le rapport DCO/DBO5 avant et après les

traitements ont été recherchées selon différentes techniques décrites dans la littérature.

(Hamdani et al., 2004. Hazourli et al., 2009, Kabbout et al., 2011).

RESULTATS

1. Caractérisation de l’effluent

La matière première (le lait brut) de l’usine LVRS provient de la grande région

agricole marocaine Gharb-Chrarda. Dans cette région la production laitière connaît deux


217

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 est 900

m3/j (dont 7,5 m

3/j de lactosérum) avec 4,7 litre d’effluent liquide / litre de lait traité

(tableau II).

Tableau II: Degré de pollution de rejet de l'industrie de transformation du LVRS

Dans ce travail, plusieurs caractéristiques de la pollution de l’effluent ont été

étudiées. Le tableau II résume les paramètres qui estiment le degré polluant de ce

déchet. On remarque que le rapport DCO/DBO5≤ 2, plus ce rapport est petit, plus la

matière organique présente dans le rejet sera facilement dégradée par les bactéries, donc

le traitement qu’il faut utiliser est le traitement biologique. Mais pour la comparaison on

a choisi les deux traitements.

Aussi, la technologie de la filtration nous a permet de séparer les composants

présents dans le milieu. Les analyses du substrat cherché révèlent que l’effluent total de

LVRS est constitué essentiellement d’eau, du lactose, des protéines, des minéraux et de

la matière grasse. Les résultats sont présentés dans le tableau III.

Type d`effluent pH Volume produit/L DCO (g/l) DCO/DBO5

Eau blanche 5,5 3 à 4 2,5 1,3

Lactosérum 4,3 0,75 6 1.5

Effluent total 4,5 4 à 5 11 1,7


218

Tableau III : Composition de rejet de l'industrie de transformation du LVRS

Constituants Lactosérum Effluent total

Eau (%) 93 95

Température (°C) 40 48

Débit (l/s) 13 13

pH 4,5 6,6

Turbidité (NTU×10) 115 144

Matière sèche (g/kg) 62 102

Lactose (g/100gMS) 240 240

Protéines (g/kgMS) 82,5 107

Minéraux-cendre (g/kgMS) 41 43

Azote total Kjeldahl (g/l) 0,44 1,3

Phosphore total (g/l) 0,149 0,225

Nitrates (g/l) 0,32 0,5

MES (g/l) 2,850 3

Acides organiques (g/l) 11 12

Matière grasse (g/l) 2,1 16

Coliformes fécaux (UFC/ml) - 2,08 × 105

Streptocoques fécaux (UFC/ml) - 3,11 × 105

Les tableaux II et III présentent les caractéristiques physico-chimiques et

bactériologiques de l’effluent total rejeté par l’unité LVRS. Les valeurs enregistrées de


219

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 marocains

(Bulletin officiel, 2002. Derwich et al., 2010). Aussi, La charge bactérienne moyenne

est de 2,08×105 UFC/ml pour les coliformes fécaux et 3,11×10

5 UFC/ml pour les

streptocoques fécaux. Le rapport CF/SF est inférieur à 1, ce qui témoigne d’une

contamination fécale d’origine animale (streptocoques fécaux) des échantillons étudiés.

Finalement, Ces résultats montrent qu’il est nécessaire de traiter cet effluent avant tout

rejet ou utilisation éventuelle.

2. Traitement physico-chimique

Les résultats du traitement physico-chimique (coagulation-floculation) par le

sulfate d'aluminium et l'alginate de sodium sont exposés dans le tableau IV.

Tableau IV: Composition de rejet laitier liquide avant et après le traitement par

coagulation - décantation

Paramètres analysés Valeur avant traitement Valeur après traitement

pH 4,5 ajusté à 6,5 7,1

MES g/l 3 0,9

DCO totale g/l 11 7,33

DBO totale mg/l 6,4 2,1

Turbidité (NTU×10) 144 70

Nitrates (g/l) 0,5 0,025

N-NTK g/l 1,3 0,22

P-PT g/l 0,225 0,05


220

Ce tableau montre une réduction d’environ 30% de la demande chimique en

oxygène à la concentration de 6 mg/l du Sulfate d'aluminium (figure 1), 33% de la

demande biologique en oxygène, 49% de la turbidité, 78% des matières en suspension

(MES), 20% du phosphore total, 5% des nitrates et 16,4 % d’azote total.

Figure 1 : Effet de la concentration du sulfate d'aluminium (traitement

physicochimique) sur la DCO

La figure 1 montre l’évolution de DCO en fonction de différentes concentrations

du sulfate d'aluminium. Dans une première observation on a remarqué l’apparition des

focs dans les béchers 4, 5 et 6 et qui sont devenus troubles en fonction du temps,

probablement à cause de la présence de microfocs.

3. Traitement biologique

La croissance des bactéries sur l’effluent laitier est un bon indicateur que cet

effluent est riche en matières nutritives. Les courbes suivantes montrent la croissance de

Bacillus spp. et Pseudomonas fluorescens sur le lactosérum (figures 2 et 3).

5

6

7

8

9

10

11

12

0 2 4 6 8 10 12

DC

O d

e l'

éffl

uen

t to

tal

(g/l

)

Sulfate d'aluminium (mg/l)


221

On remarque, que les deux bactéries se développent sur le lactosérum pendant

15 jours et continuent à vivre au delà de cette période contrairement aux bactéries

cultivé sur un milieu nutritif qui se détériorent et meurent après 15 jours d’incubation.

Ceci pourrait indiquer que le lactosérum est un milieu favorable pour la croissance de

ces deux bactéries.

Dans ce travail, nous avons cherché l’efficacité de traitement biologique par

Bacillus spp. et Pseudomonas fluorescens et ensuite nous l’avons comparé avec le

traitement physico-chimique. La figure suivante montre la variation de DCO en fonction

du traitement biologique.

0

2

4

6

8

10

0 5 10 15 20 25 30

Ab

sorb

ance

Temps (j) Bouillon nutritif Lactoserum

0

2

4

6

8

10

12

0 5 10 15 20 25 30

Ab

sorb

ance

Temps (j) Bouillon nutritif Lactoserum

Figure 2 : Croissance de Bacillus spp

sur le lactosérum et le milieu nutritif

Figure 3 : Croissance de Pseudomonas

fluorescens sur le lactosérum et sur le milieu

nutritif


222

Figure 4 : Variation de DCO du lactosérum en fonction de traitement biologique

par Bacillus spp. et Pseudomonas fluorescens

Ce graphique montre une réduction de DCO jusqu'à 92% lors de traitement

biologique par Pseudomonas fluorescens, et environ 86% avec le mélange Bacillus spp

et Pseudomonas fluorescens pendant 24 jours de traitement. Alors que dans les mêmes

conditions, Bacillus spp. a permis seulement une réduction de 54% de DCO. Cela

indique que le traitement biologique du lactosérum par Pseudomonas fluorescens est

non seulement plus efficace que le traitement par Bacillus spp mais aussi plus important

que le traitement chimique par floculation et coagulation. D'autre part les analyses

physicochimiques recherchées après le traitement biologique par Pseudomonas

fluorescens indiquent la réduction de 94% d'azote total et d’environ 80% des nitrates.

DISCUSSION

La composition physicochimique recherchées dans ce travail (MES, DCO,

DBO5, N-NTK et P-PT etc.) dépassent largement les normes internationale des valeurs

0

10

20

30

40

50

60

70

0 5 10 15 20 25 30

DC

O (

mg

/l)

Temps (j) Bacillus spp

Pseudomonas fluorescens

Bacillus spp + Pseudomonas fluorescens

Temoin (non inoculé)


223

limites relatives aux rejets liquides (Bulletin officiel, 2002. Derwich et al., 2010). Le

suivi des valeurs de DCO a donné un résultat supérieur à la valeur autorisée par la

norme marocaine (0,5 g/l), mais reste inférieure à la DCO d'industrie d'extraction d'huile

et de transformation de la matière lignocellulosique (Aissam, 2003. Eloutassi, 2004).

Les valeurs bornes enregistrées de la DBO5 dépassent largement la valeur autorisée (0,1

g/l) et le rapport DCO/DBO5 est supérieur à 0,3 ce qui implique une biodégradabilité

(Benyakhlef, 2008). Ces résultats s’expliquent par le fait que l’unité LVRS, en plus des

microorganismes de la fermentation, elle utilise dans les différentes opérations de

transformation de multiples produits de nettoyage (détergents et des adjuvants divers

ainsi que la désinfection par les hypochlorites de sodium, et l’usage de la soude. La

moyenne annuelle du volume des déchets rejetés par LVRS est aussi légèrement élevée

que celui mentionné dans la littérature (Fellah et al., 2012). Il serait donc nécessaire 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 aussi de recycler et réutiliser les eaux non

polluées comme les eaux de refroidissement et de condensats (Hamdani et al., 2004.

Abdili, 2009).

La floculation et la coagulation sont utilisés pour enlever la graisse, l'huile, le

phosphore, les matières en suspension (MES), les métaux lourds, et autres. Il est

reconnu que le pH influence les taux d’abattement de la pollution contenue dans les

eaux usées (Ayeche et Balaska., 2010). Pour notre étude, les pH optimaux pour

l’élimination de la matière en suspension, de la demande chimique en oxygène, de

l’azote total Kjeldahl et du phosphore total se situent entre 5,5 et 7 pour le coagulat à

base d’aluminium. L’agitation pendant le traitement physico-chimique assure une bonne

répartition des agents coagulants et une déstabilisation chimique des colloïdes, ensuite

elle facilite le contact entre les particules et évite de détériorer les flocs formés (Cros et


224

al., 2010). Donc, l’utilisation d’un prétraitement de coagulation-floculation permet de

réduire la DCO, qui pose le plus grand problème pour le rejet de l’effluent. Cette

efficacité peut être augmentée par l’utilisation d’une électrocoagulation, méthode qui

n’a pas pu être testée dans notre laboratoire. Dans la littérature cette méthode permet la

réduction de la demande chimique et biochimique en oxygène (DCO, DBO) et la

réduction des microorganismes (Hamdani et al., 2004. Abdili, 2009. Fellah et al., 2012).

Le sulfate d'aluminium Al2(SO4)3 est considéré comme le plus puissant coagulant car il

réduit la forte charge de phosphate de DCO et de l’azote total des eaux usées et des

effluents des huileries (Aissam, 2003). Même sans ajuster le pH du milieu, le sulfate

d'aluminium Al2(SO4)3 peut facilement se coaguler à un pH du lactosérum ou de

l’effluent total (Kabbout et al., 2011. Listiyani et al., 2012). Egalement, nous avons utilisé

l'alginate de sodium (NaC6H7O6) car il est très efficace comme floculant (Hamdani et

al., 2004, Ayeche et al., 2010). Dans la littérature la floculation et la coagulation par le

sulfate d'aluminium et l'alginate de sodium fournissent ensemble de bons résultats

(Kabbout et al., 2011).

Nous avons choisi le traitement biologique en suspension car il expose plusieurs

avantages, en effet, il présente une disponibilité des microorganismes, une technologie

propre, un traitement économique (peu coûteux, moins d'entretien et faible demande

d'énergie), une manipulation facile et applicable dans les laboratoires (Kumar and

Karunakar, 2012. Ruttara, 2012). Dans la littérature, les principaux microorganismes

utilisés pour traiter les effluents sont généralement les bactéries lactiques

(Lactobacillus), les bactéries phototrophes (Aspergillus et Galactomyces) et les levures

(Saccharomyces) (Djelal et Perrot, 2007. Rashid et West, 2007. Kumar and Karunakar,

2012). Dans notre étude, la biodégradation de lactosérum par Bacillus spp. et

Pseudomonas fluorescens a donnée de bon résultats. Nous avons choisis ces deux


225

bactéries pour le traitement biologique de lactosérum car ils sont rencontrés facilement

dans les laboratoires biologiques et ils sont très répandu dans l'environnement, ils vivent

principalement dans l'eau et les sols humides à température ambiante (24°C à 35°C) et à

pH proche de la neutralité (5 à 7) aussi et essentiellement ils ne sont pas pathogènes

(Abdili, 2009).

CONCLUSION

En conclusion, nous avons procédé à une série de traitements pour réduire l’impact

polluant des effluents LVRS sur les écosystèmes aquatiques et terrestres. Ainsi, le

traitement par coagulation floculation et le traitement biologique ont permet de

diminuer la charge organique, azotée et phosphorée. Le meilleur résultat est obtenu avec

le traitement biologique qui a garantit le respect des normes marocaines. Ce procédé a le

mérite d’être à la fois dépolluant car il réduit énormément la quantité de déchets

biologique et chimiques aussi il est simple, facile, réalisable et économique à l'échelle

industrielle.

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Traitement Physico-chimique Et Biologique d’Un Effluent Laitier Liquide