Rôle de la sorption et de la biodégradation dans l'élimination de micropolluants par des procédés d'épuration biologique : application aux molécules anticancéreuses traitées par bioréacteur à membrane

摘要

Les travaux de recherche effectués dans le cadre de ce travail de thèse ont eu pour objectif de caractériser le rôle joué par les mécanismes de sorption et de biodégradation dans l’élimination de micropolluants organiques par les boues biologiques, et notamment celles de bioréacteur à membrane. La première étape a consisté en la mise au point d’une méthode d’analyse de molécules anticancéreuses depuis les phases aqueuse et solide des boues. L’extraction des molécules contenues dans la phase aqueuse a été réalisée par une combinaison de cartouches SPE permettant la récupération sélective d’espèces acides, neutres et basiques. L’extraction depuis la phase solide a été rendue possible grâce à l’utilisation de la technique sous solvant pressurisé et à chaud PLE, suivie par une étape de purification directement inspirée de la méthode développée pour la phase aqueuse. Une procédure originale de préparation d’échantillons de boues a été proposée pour estimer rigoureusement le phénomène de sorption. Le modèle de Freundlich est celui qui a donné les corrélations les plus satisfaisantes et a été sélectionné. La détermination des paramètres du modèle a mis en évidence des comportements de sorption différents pour les molécules ciblées, mais toujours caractérisés par des aptitudes de sorption faibles. La mise en relation des propriétés physico-chimiques des molécules, des boues et des paramètres de sorption n’a pas révélé de corrélations évidentes entre ces différents paramètres et ne permet pas de proposer de modèle capable de prédire la sorption en fonction des caractéristiques des boues et des polluants. La caractérisation du comportement d’un cocktail d’anticancéreux lors du traitement par un pilote de bioréacteur à membrane externe a révélé que le mécanisme majeur à l’origine de leur élimination était la biodégradation. Les interactions entre les microorganismes et les micropolluants ciblés sont liées au cométabolisme. Une étude approfondie du mécanisme a révélé que ces mêmes interactions étaient à l’origine d’une limitation de la biodégradation et doivent être intensifiées pour améliorer les performances de traitement sur ce point. ABSTRACT : The aim of the present work was to characterize the sorption mechanisms and biodegradation role in the removal of some organic micropollutants (i.e. anticancer drugs) by biological sludges, including those of membrane bioreactor (MBR). The first step consisted in the development of an analytical method for the trace determination of anticancer drugs from sludge aqueous and solid phases. The extraction from the aqueous matrix was performed by a combination of SPE cartridges, allowing the selective recovery of acid, neutral and basic species. The extraction from the solid matrix was possible thanks to an extractive step performed by pressurized liquid extraction, followed by a purification step whose procedure was directly inspired from the method developed for aqueous samples. An original procedure for the conditioning of sludge samples before sorption experiments has been proposed. The Freundlich isotherm gave the satisfactoriest correlations and has been selected. The determination of the model parameters highlights different trends of sorption between targeted compounds, but always characterized by low sorption affinities. Physico-chemical properties of both compounds and sludge did not show any link with sorption parameters. Consequently, it is not possible to propose a predictive model for the sorption of polar micropollutants depending on both compounds and sludge properties. The removal of a “cocktail” of anticancer drugs by treatment through a side stream pilot-scale MBR has been investigated. Biodegradation appeared as the prevailing mechanism and was explained by cometabolic interactions. However, these interactions were also responsible for the limitation of biodegradation phenomenon and must be intensify to enhance the removal of these compounds.