Compostage de déchets organiques avec des sols contaminés par des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) : impact de l'origine des déchets sur les rendements de biodégradation des HAP

Composting of organic waste for enhanced bioremediation of PAHs contaminated soils

• Auteur / Autrice : Borislava Lukic
• Direction : Michel Madon, Giovanni Esposito, Piet N. L. Lens, Antonio Panico
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et Techniques de l'Environnement
• Date : Soutenance le 15/12/2016
• Etablissement(s) : Paris Est en cotutelle avec Università degli studi (Cassino, Italie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Géomatériaux et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne) - Laboratoire Géomatériaux et Environnement
• Jury : Président / Présidente : Eric Van Hullebusch
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Madon, Giovanni Esposito, Piet N. L. Lens, Antonio Panico, David Huguenot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Paolo Roccaro, Ana Paula Mucha

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sols -- Décontamination

Composés aromatiques polycycliques

Compostage

Biotechnologie appliquée à l'environnement

Mots clés libres

Biodépollution

Compostage

Déchets organiques

Sols contaminés

Hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP)

Bioremediation

Composting

Organic waste

Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs)

Contaminated soil

Résumé

Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) sont des polluants organiques largement répandus dans l’environnement. Ils sont très fréquemment détectés dans les sols et sont principalement le produit d’une combustion incomplète de la matière organique. Etant toxiques et cancérigènes, de nombreuses études portant sur leur élimination des sols ont été massivement effectuées au cours des dernières années. Parmi tous les traitements disponibles pour traiter des sols contaminés par les HAP, les approches biologiques sont prometteuses car elles ont un impact limité, voire nul sur l’environnement. Cependant, leur efficacité est étroitement dépendante de nombreux facteurs difficiles à contrôler. L’objectif de cette thèse a été d’obtenir une connaissance plus précise concernant la dépollution biologique de sols contaminés par des HAP, en définissant à travers une série d‘expériences, les conditions les plus appropriées pour leur élimination principalement en termes de caractéristiques physiques et chimiques du sol, de la structure des HAP et leurs concentrations, la densité et la composition microbienne, le pH et l’humidité du sol et la disponibilité des nutriments. Les expériences réalisées dans cette thèse, sont basées sur le compostage de déchets organiques avec des sols contaminés par des HAP. L’ajout de matière organique vise à promouvoir la dégradation biologique simultanée des HAP et des déchets organiques frais en conditions contrôlées. Les résultats attendus de cette approche sont la dégradation des polluants en composés moins nocifs, en raison de la stimulation de l’activité des micro-organismes présents dans le sol ainsi que dans les déchets organiques apportés. Dans le but de comprendre l’influence des facteurs précédemment mentionnés, les expériences ont été menées sur un sol synthétique, artificiellement contaminé, ainsi que sur un sol contaminé provenant d’un site industriel identifié comme pollué par des HAP. Quatre types de déchets organiques frais ont été sélectionnés pour être ajoutés au sol artificiellement contaminé par des HAP. Les résultats ont montré que les boues activées étaient l’amendement organique le plus efficace par rapport au fumier de bufflonnes, aux déchets de cuisine et aux déchets organiques à base de légumes. Un taux d’élimination des HAP totaux supérieur à 60% a été atteint avec les boues activées. En outre, cette série d’expériences a prouvé que les conditions mésophiles étaient plus favorables que les conditions thermophiles, mais également que la teneur en azote, l’importance de la fraction soluble et les teneurs en protéines sont très importantes pour l’élimination des HAP. Sur la base de ces résultats, une série d’expériences a été menée sur un sol historiquement contaminé en apportant des quantités différentes de boues activées (ratio massique sol contaminé : boues activées variant de 1:2, 1:1 , 1:0,5 à 1:0). Contrairement aux résultats obtenus avec le sol artificiel, pour un sol naturellement contaminé, les amendements à base de boues activées n’ont pas stimulé l’élimination de HAP. Les meilleurs résultats ont été obtenu pour le sol non amendé par les boues activées (un rendement d’élimination des HAP totaux de 32% a été atteint en l’absence de boues activées, tandis qu'en présence d’un amendement à base de boues activées les meilleurs résultats ne dépassent pas 14% d’élimination des HAP totaux), cela prouve que la stimulation de micro-organismes pouvant dégrader les HAP est un facteur clé pour le succès du processus de dépollution biologique dans des conditions environnementales favorables

Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) are organic pollutants widely distributed in the environment and very frequently detected in soils as they are mainly produced from an incomplete combustion of organic matter at high temperature. They are toxic and even carcinogenic, therefore their removal from soils has been massively studied in the past years. Among all treatments suitable for treating soils contaminated by PAHs, biological ones are promising and challenging as they have a low or even no impact on the environment as well as their efficiency is tightly dependent on many factors not easy to control. The objective of this thesis has been to get more accurate knowledge on bioremediation of PAHs contaminated soils, by defining, through a series of experiments, the most suitable conditions for their biological remediation mainly in terms of physical and chemical soil characteristics, PAHs type and concentration, microbial density and composition, pH value, moisture content and availability of nutrients. The bioremediation experiments carried out in this thesis are based on landfarming as well as composting soil treatments and aimed at promoting the simultaneous biodegradation of PAHs and fresh organic wastes under controlled conditions. The expected result of this approach has been the conversion of organic pollutants into less harmful compounds, due to the activity of the microorganisms present in soil as well as in the organic waste added to soil. With the aim of deeply understanding the influence of the aforementioned factors on the bioremediation of PAHs contaminated soil, experiments were conducted on a synthetic soil, artificially contaminated, as well as on a real contaminated soil. In details, four different types of fresh organic waste were selected to be added to PAHs artificially contaminated synthetic soil and the results showed that centrifuged activated sewage sludge (SS) was the most effective organic amendment compared to buffalo manure (BM), food and kitchen waste (FKW) and fruit and vegetable waste (FVW). The removal efficiency of total PAHs reached with SS was actually a little higher than 60%. Furthermore, this set of experiments proved that mesophilic conditions were more performing than thermophilic conditions, as well as the content of nitrogen, soluble fraction and proteins played an important role in the PAHs removal. Based on the previous results, the next set of experiments was conducted on a real contaminated soil amended with different amounts of centrifuged activated SS (e.g. contaminated soil to SS mass ratios were 1:2, 1:1, 1:0.5 and 1:0 as wet weight basis). In contrast to results obtained with synthetic soil, in a real contaminated soil, SS amendment resulted in being not beneficial to PAHs removal. The best results were actually achieved where no SS was added (total PAHs removal efficiency of 32%, whereas with SS the best results showed a value of 14%), proving that the adaptation of microorganisms to PAHs is the key factor for the success of the bioremediation process coupled with setting favorable environmental conditions