Fiche descriptive : Biodégradation par les méthanotrophes – in situ

De : Services publics et Approvisionnement Canada

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Description

La biodégradation par les bactéries méthanotrophes est une technique de restauration in situ qui fait appel aux bactéries méthanotrophes indigènes pour le traitement des sols ou des eaux souterraines contaminés par des composés chlorés. Les bactéries méthanotrophes sont des microorganismes aérobies qui se développent en utilisant le méthane (CH4) comme source de carbone et d’énergie.

Les bactéries méthanotrophes produisent une enzyme, appelée méthane mono-oxygénase, capable d’oxyder le méthane et de transformer divers composés chlorés. Les bactéries méthanotrophes peuvent donc cométaboliser certains composés chlorés en présence de méthane et d’oxygène (accepteur final d’électrons). Le cométabolisme est la transformation d’un substrat (par exemple : le TCE) par un microorganisme sans que celui-ci en retire des avantages directs. Un substrat primaire (par exemple : le CH­4) doit donc être présent pour servir de source de carbone et d’énergie aux microorganismes qui effectuent cette transformation.

La présence de méthane dans le milieu est nécessaire pour le développement des méthanotrophes. Toutefois, si la concentration en méthane est trop importante, la compétition du méthane et du composé chloré pour le site actif de l’enzyme favorisera l’oxydation du méthane. Si le méthane n’est pas en concentration suffisante, les composés chlorés seront dégradés rapidement au début, mais la réaction ralentira rapidement comme le contaminant n’est pas la source d’énergie des bactéries méthanotrophes. L’injection de méthane et d’oxygène est donc nécessaire pour permettre la transformation des composés organiques halogénés. Des nutriments peuvent aussi être injectés sous forme dissoute (par exemple : engrais soluble commercial) ou gazeuse.

L’oxydation des composés chlorés entraîne la formation d’époxy chloré qui est instable dans l’eau et rapidement transformé. Les réactions subséquentes de transformation sont catalysées de façon spontanée par d’autres bactéries méthanotrophes ou par d’autres types de bactéries.

Lien Internet :

Mise en œuvre de la technologie

La mise en œuvre des projets de bioremédiation par les bactéries méthanotrophes peut inclure :

  • des essais en laboratoire ou à l’échelle pilote;
  • la mobilisation, l’accès au site et la mise en place d’installations temporaires;
  • l’ajout de réactifs pouvant nécessiter des mesures comme :
    • l’installation de puits/pointes d’injection;
    • la construction de tranchées ou de drains d’infiltration;
    • l’injection ou l’infiltration de solutions aqueuses de traitement;
    • l’injection de boues liquides;
    • l’injection de gaz en dessous de la nappe phréatique;
    • le mélange des sols en profondeur avec des réactifs solides ou en suspension;
    • l’addition d’amendement à de l’eau souterraine pompée, puis réinjectée;
  • la réalisation d’un programme de suivi;
  • le démantèlement du matériel d’injection.

Matériau et entreposage

  • L’entreposage sur le site est principalement lié aux types d’amendements et aux procédés d’injection utilisés.
  • Les projets avec injections périodiques devraient éviter l’entreposage sur le site en apportant seulement les matériaux au fur et à mesure des besoins.
  • Les réactifs injectés varient considérablement en fonction des contaminants, de la composition des eaux souterraines et du spécialiste. Divers mélanges sont couramment utilisés, notamment des composés libérant de l’oxygène. Les composés génériques courants comprennent l’urée (comme source d’azote), le nitrate d’ammonium (comme source d’azote), le peroxyde d’hydrogène dilué, etc. Des réservoirs de méthane et d’oxygène, des compresseurs d’air, ou des générateurs d’oxygène peuvent également être utilisés.

Résidus et rejets

  • Lorsque le traitement est réussi, le principal résidu est la biomasse microbienne (qui se décompose au fil du temps). L’excès d’agent réactif ne peut habituellement pas être récupéré, et est généralement consommé sur place.
  • L’installation du système nécessite généralement des travaux de forage ou d’excavation dans les zones contaminées, entraînant la manipulation et l’élimination de sols contaminés, généralement placés dans des conteneurs et éliminés hors site.
  • L’eau souterraine traitée peut transporter des microorganismes, sous-produits de dégradation et autres hors de la zone de traitement si un contrôle hydraulique n’est pas appliqué.

Analyses recommandées dans le cadre d’une caractérisation détaillée

Analyses biologiques

  • Le dénombrement de la population bactérienne hétérotrophe totale et de la population bactérienne spécifique (selon le ou les contaminants d’intérêt)

Analyses chimiques

  • pH
  • Le potentiel d'oxydoréduction (Eh)
  • La concentration des métaux
  • La concentration des contaminants présents dans les phases :
    • adsorbées
    • dissoutes
    • libres
  • La concentration des nutriments incluant :
    • l'azote ammoniacal
    • l'azote total Kjeldahl
    • les nitrates
    • les nitrites
    • le phosphore total

Analyses physiques

  • La concentration en oxygène dissous
  • La concentration en méthane
  • La concentration en oxygène, en dioxyde d'azote et en méthane dans les sols de la zone vadose
  • La température
  • L'évaluation biologiques et des facteurs écologiques

Essais recommandés dans le cadre d’une caractérisation détaillée

Essais biologiques

  • Essai de minéralisation en microcosmes

Essais hydrogéologique

  • Essais avec traceur

Remarque : Des essais sur le terrain pour mesurer la conductivité hydraulique au niveau de la barrière gelée ainsi que le rayon d'influence des tubes frigorifiques sont nécessaires avant de procéder à l'installation d'une barrière gelée.

Autre information recommandée pour une caractérisation détaillée

Phase II

  • La profondeur et l'étendue de la contamination
  • La présence de récepteurs :
    • la présence de récepteurs potentiels
    • la présence d'infrastructures de surface et souterraines
    • le risque de migration hors site

Phase III

  • La stratigraphie du sol
  • La détermination des voies préférentielles de migration des contaminants
  • Une modélisation hydrogéologique
  • La connaissance détaillée de la géologie et de l'hydrogéologie incluant :
    • la direction d'écoulement des eaux souterraines
    • la conductivité hydraulique
    • les fluctuations saisonnières
    • le gradient hydraulique

Applications

  • Permet de traiter la contamination résiduelle située dans les zones vadose et saturée.
  • Permet de traiter la contamination dissoute dans l’eau souterraine.
  • S’applique aux contaminants halogénés.

Applications aux sites en milieu nordique

La biodégradation par les bactéries méthanotrophes in situ est potentiellement applicable dans certaines régions éloignées où les obstacles de mobilisation et de transport des matières et du matériel d’injection peuvent être surmontés. Le froid extrême peut nuire à la biodégradation : l’activité microbienne est optimale seulement durant la saison chaude et le traitement peut prendre plusieurs années. En profondeur (en dessous du pergélisol) la température des sols est relativement constante tout au long de l’année et l’activité microbienne est possible.

Type de traitement

Type de traitementS’applique ou Ne s’applique pas
In situ
S’applique
Ex situ
Ne s’applique pas
Biologique
S’applique
Chimique
Ne s’applique pas
Contamination dissoute
S’applique
Contamination résiduelle
S’applique
Contrôle
Ne s’applique pas
Phase libre
Ne s’applique pas
Physique
Ne s’applique pas
Résorption
S’applique
Thermique
Ne s’applique pas

État de la technologie

État de la technologieExiste ou N'existe pas
Démonstration
Existe
Commercialisation
Existe

Contaminants ciblés

Contaminants ciblésS'applique, Ne s'applique pas ou Avec restrictions
Biphényles polychlorés
Ne s'applique pas
Chlorobenzène
Avec restrictions
Composés inorganiques non métalliques
Ne s'applique pas
Composés phénoliques
Ne s'applique pas
Explosifs
Ne s'applique pas
Hydrocarbures aliphatiques chlorés
Avec restrictions
Hydrocarbures aromatiques monocycliques
Ne s'applique pas
Hydrocarbures aromatiques polycycliques
Ne s'applique pas
Hydrocarbures pétroliers
Ne s'applique pas
Métaux
Ne s'applique pas
Pesticides
Avec restrictions

Durée du traitement

Durée du traitementS’applique ou Ne s’applique pas
Moins de 1 an
Ne s’applique pas
1 à 3 ans
S’applique
3 à 5 ans
S’applique
Plus de 5 ans
S’applique

Considérations à long terme (à la suite des travaux d'assainissement)

Un suivi de la qualité des eaux souterraines pourrait être nécessaire afin de s’assurer du respect des objectifs de réhabilitation et des critères et normes applicables lors du retour à l’équilibre de l’aquifère suivant l’arrêt du traitement et la décomposition de la biomasse.

Produits secondaires ou métabolites

Le chlorure de vinyle, un métabolite toxique produit par la déshalogénation réductive des solvants chlorés, n’est pas produit si la transformation des composés halogénés est faite par les bactéries méthanotrophes. Des essais en laboratoire ou des essais pilotes, ainsi qu’un contrôle strict de la qualité des matières injectées sont généralement requis.

Limitations et effets indésirables de la technologie

  • La présence de chemins préférentiels ou d’horizons moins perméables peut empêcher la distribution uniforme du méthane et de l’oxygène.
  • La compétition entre le méthane et les composés organiques halogénés pour l’enzyme méthane mono-oxygénase limite la transformation des contaminants.
  • La faible solubilité de l’oxygène et du méthane dans l’eau peut limiter la transformation des composés organiques chlorés.
  • Une faible concentration en nutriments peut limiter la biodégradation des contaminants.
  • Le pH des sols doit idéalement se situer entre 5 et 8.
  • Une concentration élevée en contaminants peut inhiber la biodégradation des composés organiques halogénés.
  • La bioremédiation par les bactéries méthanotrophes aura volontairement un impact sur les conditions géochimiques souterraines (tel que le potentiel redox et la concentration en carbone organique total).
  • Les fluides injectés peuvent déplacer (ou « pousser ») l’eau interstitielle contaminée en aval du point d’injection, entraînant ainsi à court terme des changements très importants dans la distribution des eaux souterraines contaminées.
  • L’utilisation d’oxygène et de méthane, gaz inflammables, pose un risque sur la santé, la sécurité et l’environnement (risques d’incendie, de suffocation en espace clos et d’explosion).
  • En cas d’accident ou de défaillances dans les zones de traitement, de l’eau souterraine contaminée non traitée peut migrer en dehors de ces zones.

Technologies complémentaires améliorant l’efficacité du traitement

  • L’utilisation de cette technologie combinée à un système de bioventilation ou de biobarbotage est une alternative intéressante.
  • L’ajout de formate ou de méthanol à titre de substrat primaire non compétitif pour le méthane mono-oxygénase peut être envisagé, mais n’a pas, à ce jour, donné de résultats acceptables.
  • La bioaugmentation.

Traitements secondaires requis

L’installation d’un système de captage des effluents gazeux devra être effectuée si la bioventilation ou le biobarbotage sont utilisés.

Exemples d'application

Les sites suivants fournissent des exemples d’application :

Performance

Il a été démontré que l’utilisation des bactéries méthanotrophes est une technique de réhabilitation efficace pour biodégrader les solvants chlorés. Une minéralisation de 90 % des concentrations en TCE a été observée sur le site Savannah River en Caroline du Sud après l’ajout de méthane, d’oxygène et de nutriments sous forme gazeuse. De façon générale, le temps nécessaire à la restauration d’un site en utilisant la biodégradation par les méthanotrophes, ainsi que la performance de cette technologie, sont très variables et sont fonction à la fois du type et de la concentration en contaminant, de la population bactérienne indigène et de son degré d’activité et des propriétés physico-chimiques du milieu.

Mesures pour améliorer la durabilité de la technologie et/ou favoriser l’assainissement écologique

  • Optimisation du calendrier afin de favoriser le partage des ressources et réduire le nombre de jours de mobilisation.
  • Utilisation d’énergie renouvelable et d’équipement à faible consommation d’énergie (par exemple. énergie géothermique ou solaire pour la distribution des agents réactifs).
  • Choix d’amendements requérant moins d’énergie pour la production.
  • Favoriser l’utilisation d’amendements fournis par des producteurs locaux.
  • Recirculation de l’eau souterraine afin de maximiser l’utilisation des amendements et diminuer le nombre de puits d’injection.
  • Utiliser la pluie pour diluer les amendements/nutriments à injecter.
  • Utiliser des contenants de solution en vrac recyclables.

Impacts potentiels de l'application de la technologie sur la santé humaine

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Références

Auteur et mise à jour

Fiche rédigée par : Karine Drouin, M.Sc., Conseil national de recherches

Mise à jour par : Karine Drouin, M.Sc., Conseil national de recherches

Date de mise à jour : 1 avril 2008

Dernière mise à jour par : Marianne Brien, P.Eng., Christian Gosselin, P.Eng., M.Eng., Golder Associés Ltée

Date de mise à jour : 22 mars 2019

Date de modification :