Composés pharmaceutiques et eaux usées urbaines. I, Analyse bibliographique. II, Effet de deux antibiotiques de type macrolide sur les boues activées, Pharmaceutical substances and urban wastewater. I, Literature survey. II, Effect of two macrolide antibiotics on activated sludge

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École Nationale Supérieure des Industries Chimiques
Institut National
Polytechnique de Lorraine École Doctorale RP2E



Composés pharmaceutiques
et eaux usées urbaines

I. Analyse bibliographique
II. Effet de deux antibiotiques de type
macrolide sur les boues activées



THESE


Présentée et soutenue publiquement le 10 septembre 2007


pour l'obtention du


Doctorat de l'Institut National Polytechnique de Lorraine
(spécialité Génie des Procédés et des Produits)


par


Abolghasem ALIGHARDASHI

M.Sc. de l'Université de Téhéran (Iran)

Composition du Jury

Rapporteurs : M. C. DAGOT
M. N. ROCHE

Membres : M. H. ALEBOYEH
M. C. MERLIN
Mlle. M.N. PONS
M. O. POTIER

Laboratoire des Sciences du Génie Chimique - CNRS - UPR 6811








































à Zahra

et

en souvenir de mon Père



AVANT- PROPOS

Je voudrais tout d'abord remercier Marie-Noëlle PONS, Directeur de Recherche au
CNRS, pour la proposition de ce sujet de thèse et pour m'avoir si bien accueilli. Ses qualités
scientifiques, sa passion pour la recherche et ses connaissances m'ont permis de travailler
sereinement à ses côtés et m’ont donné l’envie de poursuivre mes recherches scientifiques. Je
suis également reconnaissant envers le MSRT (le Gouvernement Iranien) et la SFERE pour
leur soutien financier.
Je remercie Hamid ALEBOYEH (Professeur à l’Université de Haute Alsace) d’avoir
accepté de présider ce jury.
Je remercie vivement Olivier Potier, Maître de Conférences à l’Ecole Nationale
Supérieure en Génie des Systèmes Industriels et chercheur au LSGC, d’avoir co-dirigé ce
travail et pour ses conseils scientifiques et linguistiques et son aide précieuse.
Je remercie également Christophe DAGOT (Professeur à l’Ecole Nationale
d’Ingénieurs de Limoges) et Nicolas ROCHE (Professeur à Université Paul Cézanne -Aix-
Marseille III) pour avoir accepté d’être les rapporteurs de ma thèse et pour la pertinence de
leurs critiques. Je remercie aussi Christophe MERLIN (Maître de Conférences à l'Université
Henri Poincaré, Nancy) pour avoir examiné ce rapport et accepté d'être membre du jury.
J'apporte ma gratitude à Didier Aubry pour ses cours de langue française et son amitié,
ainsi qu'à Jean-François, Stéphane, Mehdi et Brahim, mes amis, pour avoir pré corrigé ce
rapport.
J'aimerais aussi remercier Denis, (post doctorant au LSGC) et Maria qui m’ont
beaucoup aidé pour cette thèse.
Mes remerciements vont également aux permanents et doctorants du groupe Système
Polyphasique (SysPol) et du groupe Génie des Procédés pour l’Energie et l’Environnement
(GP2E), qui ont rendu mon séjour Nancéen accueillant et sympathique; citons: Steve,
François, Abderrazak, Jean-Pierre, Isabelle, Djalal, Farouk, Shahid, Michal, Nicolas et
Thibaut.
J'aimerais aussi remercier la communauté des Etudiants Iraniens à Nancy, pour l'amitié
et le support qu'ils m'ont apportés : Karimi, Heshmatolvaezin, Shamsi nejad, Ardianian… .
Je tiens aussi à remercier mes amis qui sont en France et en Iran, qui compte tenu du
nombre ne seront pas tous cités ici : Iman, Hèlén, Ali, Abbas … .
Je tiens finalement à apporter toute ma gratitude et mes remerciements à ma mère, ainsi
qu'à mes frères, Ali Mohammad, Abolhasan, Ali Asghar et Ali Reza pour l'amour, l'amitié, le
soutien et sans lesquels je n'aurais pas pu faire ce travail.
“The last but not the least” : Je tiens finalement à apporter toute ma gratitude et mes
remerciements à ma petite famille (Zahra et Noushin) pour son soutien et sa patience, sa
confiance en moi et ses précieux encouragements. Introduction Générale ………………………………………………………….. 1

1. Revue bibliographique…………………………………………………… 5

1.1 Epuration des eaux usées…………………………………………...………… 6
1.1.1 Auto-épuration…………………………………………………………. 6
1.1.2 Station d’épuration des eaux usées par boues activées …………….….. 6
1.1.3 Composants biologiques du système à boues activées……………….... 9
1.1.3.1 Bactéries…………………………………………………….….. 9
1.1.3.2 Microorganismes plus évolués…………………………………. 13
1.1.3.3 Structure des flocs bactériens…………………………………... 13

1.2 Nitrification…………………………………...…………................................. 14
1.2.1 Cycle de l’azote………………………………………………………… 14
1.2.2 Nitrification en STEP…………………………………………………... 15
1.2.2.1 Sources d’azote dans les eaux usées……………………………. 15
1.2.2.2 Réactions du processus de nitrification………………………… 16
1.2.3 Aspects microbiologiques……………………………………………… 16
1.2.3.1 Bactéries nitritantes…………………………………………….. 16
1.2.3.2 Bactéries nitratantes……………………………………………. 18
1.2.4 Facteurs influençant la nitrification……………………………………. 19
1.2.4.1 Paramètres physico-chimiques…………………………………. 19
1.2.4.2 Effet des inhibiteurs……………………………………………. 21

1.3 Polluants secondaires en STEP………………………………………………. 23
1.3.1 Composés organiques………………………………………………….. 23
1.3.2 Composés inorganiques………………………………………………… 26
1.3.2.1 Mercure…………………………………………………………. 27
1.3.2.2 Famille du platine………………………………………………. 27
1.3.2.3 Terres rares, métaux et métaux de transition…………………… 28
1.3.3 Composés pharmaceutiques……………………………………………. 28
1.3.3.1 Consommation des médicaments………………………………. 29
1.3.3.2 Toxicologie et risque…………………………………………… 32
1.3.3.3 Méthodes analytiques…………………………………………... 35
1.3.4 Présence et devenir des composés pharmaceutiques dans les STEP…... 37
1.3.4.1 Hormones………………………………………………………. 37
1.3.4.2 AOX et autres radio-contrastants………………………………. 42
1.3.4.3 Antibiotiques…………………………………………………… 43
1.3.4.4 Autres produits pharmaceutiques………………………………. 47
1.3.5 Antibiotiques de type macrolide……………………………………….. 56
1.3.5.1 Erythromycine………………………………………………….. 56
1.3.5.2 Tylosine………………………………………………………… 58
1.3.5.3 Effet des antibiotiques de type macrolide sur les bactéries……. 59
1.3.5.4 Effet des antibiotiques de type macrolide sur les
bactéries nitrifiantes................................................................. 60

1.4 Évaluation des données………………………………………………………. 61
1.4.1 Médicaments les plus utilisés………………………………………….. 61
1.4.2 Présence et devenir des analgésiques et des anti-infl. dans les STEP…. 63
1.4.3 Présence des hormones dans les STEP………………………………… 65
i 1.4.4 Présence des antibiotiques dans les STEP……………………………… 66
1.4.5 Consommation d’érythromycine………………………………………. 67
1.4.6 Procédés de traitement des eaux usées et élimination
des composés médicaux……………………………………………. 68

1.5 Conclusion ……………………………………………………………………. 70


2. Matériels et Méthodes …………………………………………………… 71

2.1 Présentation des sites de prélèvements et des appareils pilotes…………... 72
2.1.1 Station d’épuration de Nancy-Maxéville………………………………. 72
2.1.2 Station d’épuration de Pont-à-Mousson……………………………….. 74
2.1.3 Appar