Innocuité des digestats

La qualité microbiologique du digestat dépend :

• de la qualité des intrants : la concentration en microorganismes pathogènes dans le digestat dépend du niveau de contamination initial des intrants ;
• des paramètres de la méthanisation : la température (mésophile vs thermophile) et le temps de séjour jouent un rôle dans la survie des bactéries végétatives et des virus. D’autres facteurs (systèmes batch ou semi-continu, concentration en ammoniac, en acides gras volatiles)  peuvent également influencer la survie des microorganismes, mais les phénomènes sont moins bien connus.

La survie des microorganismes au cours de la méthanisation diffère selon les microorganismes :

• Les bactéries non sporulantes  sont plus sensibles à la méthanisation, et parmi elles, les bactéries les moins résistantes sont Campylobacter,  E. coli et Salmonella, avec des réductions de l’ordre de 2 log10 dans les méthaniseurs mésophiles. D’autres bactéries connues pour leur résistance (entérocoques, Listeria monocytogenes) sont peu affectées par la méthanisation mésophile.
• Les bactéries ayant la capacité de sporuler, comme les clostridies, sont peu ou pas affectées par la digestion anaérobie, quelles que soient les conditions de température.
• La plupart des virus animaux sont inactivés en moins de 24 heures en régime mésophile, mais certains virus sont capables de persister plusieurs semaines à 35°C, à l’exemple du parvovirus porcin.
• L’effet de la méthanisation sur la survie des parasites est très peu étudié. Leur durée de survie est en général très longue dans l’environnement, aussi il n’est pas étonnant de retrouver des nématodes dans les digestats si les effluents bruts sont contaminés.
• Le prétraitement thermique à 70°C pendant 1 heure permet d’éliminer les formes végétatives des bactéries et  de nombreux virus, mais Clostridium perfringens, Clostridioides difficile, ainsi que des entérocoques ont été retrouvés dans les digestats même après prétraitement thermique des intrants.

Dans l’étude française menée CloDia menée par INRAE, plusieurs bactéries pathogènes ont été recherchées et quantifiées (Campylobacter, L. monocytogenes, Salmonella, C. difficile et C. botulinum) dans les lisiers et les digestats de 3 sites de méthanisation mésophiles sur une année. Cette étude montre que : 

• les concentrations en pathogènes retrouvées dans les digestats sont faibles,
• la fréquence de détection de Campylobacter est systématiquement moindre dans les digestats que dans les lisiers.

Références

Bagge, E., Sahlström, L., & Albihn, A. (2005). The effect of hygienic treatment on the microbial flora of biowaste at biogas plants. Water Research, 39(20), 4879-4886.

Bøtner, A., & Belsham, G. J. (2012). Virus survival in slurry: analysis of the stability of foot-and-mouth disease, classical swine fever, bovine viral diarrhoea and swine influenza viruses. Veterinary microbiology, 157(1-2), 41-49.

Fröschle, B., Heiermann, M., Lebuhn, M., Messelhäusser, U., Plöchl, M. (2015). Hygiene and Sanitation in Biogas Plants. In: Guebitz, G., Bauer, A., Bochmann, G., Gronauer, A., Weiss, S. (eds) Biogas Science and Technology. Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology, vol 151. Springer, Cham. 

Jiang, Y., Xie, S. H., Dennehy, C., Lawlor, P. G., Hu, Z. H., Wu, G. X., … & Gardiner, G. E. (2020). Inactivation of pathogens in anaerobic digestion systems for converting biowastes to bioenergy: a review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 120, 109654.

Olsen, J. E., Jørgensen, J. B., & Nansen, P. (1985). On the reduction of Mycobacterium paratuberculosis in bovine slurry subjected to batch mesophilic or thermophilic anaerobic digestion. Agricultural Wastes, 13(4), 273-280.

Orzi, V., Scaglia, B., Lonati, S., Riva, C., Boccasile, G., Alborali, G. L., & Adani, F. (2015). The role of biological processes in reducing both odor impact and pathogen content during mesophilic anaerobic digestion. Science of the Total Environment, 526, 116-126.

Pourcher, A. M., Druilhe, C., Le Maréchal, C., Repérant, E., Boscher, E., Ziebal, C., … & Denis, M. (2023). Quantification of indicator and pathogenic bacteria in manures and digestates from three agricultural biogas plants over a one-year period. Waste Management, 169, 91-100.

Sahlström, L. (2003). A review of survival of pathogenic bacteria in organic waste used in biogas plants, Bioresource Technology, 87(2), pp 161-166 

Projet Clodia (ADEME, 2020) Devenir des Clostridium et de bactéries pathogènes non sporulantes au cours de la digestion anaérobie mésophile des effluents d’élevage

• Les boues issues de l’épuration des eaux usées contiennent une grande diversité de molécules en lien avec les usages/activités anthropiques, avec des concentrations trace variant du µg/kg jusqu’au g/kg de matière sèche. On peut citer les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), les polychlorobiphényles (PCB), les polychlorodibenzo-p-dioxines/furanes (PCDD/F), les substances per et polyfluoroalkylées (PFAS), les surfactants, les solvants, les médicaments, les produits de soins personnels, les pesticides, les retardateurs de flamme, les hormones, les plastifiants, les micro et nano-plastiques.
• Les effluents d’élevage contiennent essentiellement des résidus de médicaments, des hormones et des biocides, dans des gammes allant du µg au mg/kg de matière sèche.
• Les biodéchets (déchets verts issus de restauration et de marchés) ou les cultures intermédiaires à vocation énergétique (CIVE) sont moins bien caractérisés mais contiennent des pesticides, des hydrocarbures, des plastifiants et des microplastiques. Ces intrants sont toutefois peu ou pas contaminés, notamment en PFAS et médicaments.

Références

Brändli, R. C., Bucheli, T. D., Kupper, T., Mayer, J., Stadelmann, F. X., & Tarradellas, J. (2007). Fate of PCBs, PAHs and their source characteristic ratios during composting and digestion of source-separated organic waste in full-scale plants. Environmental Pollution, 148(2), 520-528.

El-Hadj, T. B., Dosta, J., Torres, R., & Mata-Alvarez, J. (2007). PCB and AOX removal in mesophilic and thermophilic sewage sludge digestion. Biochemical Engineering Journal, 36(3), 281-287.

Ghattas, A. K., Fischer, F., Wick, A., & Ternes, T. A. (2017). Anaerobic biodegradation of (emerging) organic contaminants in the aquatic environment. Water research, 116, 268-295.

Goulas, A., Sabourin, L., Asghar, F., Haudin, C. S., Benoit, P., & Topp, E. (2018). Explaining the accelerated degradation of ciprofloxacin, sulfamethazine, and erythromycin in different soil exposure scenarios by their aqueous extractability. Environmental Science and Pollution Research, 25, 16236-16245.

Goulas, A., Belhadi, D., Descamps, A., Andremont, A., Benoit, P., Courtois, S., … & Laouénan, C. (2020). How effective are strategies to control the dissemination of antibiotic resistance in the environment? A systematic review. Environmental Evidence, 9(1), 1-32.

Munoz, G., Mercier, L., Duy, S. V., Liu, J., Sauvé, S., & Houde, M. (2022). Bioaccumulation and trophic magnification of emerging and legacy per-and polyfluoroalkyl substances (PFAS) in a St. Lawrence River food web. Environmental Pollution, 309, 119739.

Patureau, D., Mailler, R., Delgenes, N., Danel, A., Vulliet, E., Deshayes, S., … & Gasperi, J. (2021). Fate of emerging and priority micropollutants during the sewage sludge treatment–Part 2: Mass balances of organic contaminants on sludge treatments are challenging. Waste Management, 125, 122-131.

Wang, Y., & Liang, W. (2021). Occurrence, toxicity, and removal methods of triclosan: A timely review. Current Pollution Reports, 7, 31-39.

Weithmann, N., Möller, J. N., Löder, M. G., Piehl, S., Laforsch, C., & Freitag, R. (2018). Organic fertilizer as a vehicle for the entry of microplastic into the environment. Science advances, 4(4), eaap8060.

Yan, Z. R., Meng, H. S., Yang, X. Y., Zhu, Y. Y., Li, X. Y., Xu, J., & Sheng, G. P. (2019). Insights into the interactions between triclosan (TCS) and extracellular polymeric substance (EPS) of activated sludge. Journal of environmental management, 232, 219-225.

Valorisation des matières fertilisantes d’origine résiduaire sur les sols à usage agricole ou forestier. Impacts agronomiques, environnementaux, socio-économiques. Rapport d’expertise scientifique collective Inra-CNRS-Irstea (2014)

Sites expérimentaux SOERE PRO

Les éléments en traces métalliques (ETM) se répartissent en 3 catégories :

• les oligo-éléments pour les plantes, pouvant devenir (phyto)toxiques à fortes concentrations, avec par exemple le cuivre (Cu), le zinc (Zn), le manganèse (Mn) ;
• les contaminants strictement toxiques ou potentiellement toxiques, avec par exemple le cadmium (Cd) et le plomb (Pb) ;
• les non essentiels au métabolisme végétal, mais potentiellement « bénéfiques », notamment pour les animaux, comme le nickel (Ni).

Comme pour les contaminants organiques, l’origine des intrants influence les concentrations en ETM des produits épandus sur les sols agricoles : 

• Globalement, les intrants d’origine urbaine présentent des concentrations en ETM supérieures à celles des intrants d’origine agricole ;
• Les ordures ménagères résiduelles et les boues urbaines sont les plus riches des intrants d’origine urbaine en Al, Cd, Cr, Pb, Cu, Fe, Ni, Zn, Pb ;
• Les biodéchets sont les intrants urbains les plus pauvres en ETM, un digestat de biodéchet pouvant même présenter des concentrations parmi les plus faibles pouvant être analysées, toutes origines confondues ;
• Les effluents d’élevage, surtout le lisier porc, les fientes et le compost de fumier porc sont les intrants d’origine agricole les plus riches en Zn, Cu et Mn.

Références

Piveteau, P., Druilhe, C., & Aissani, L. (2022). What on earth? The impact of digestates and composts from farm effluent management on fluxes of foodborne pathogens in agricultural lands. Science of the Total Environment, 840, 156693.

Aile, fiches maladies

Sur la base des données de concentration et des données d’épandage, des flux apportés au sol peuvent être évalués, et comparés aux concentrations du sol ou à d’autres flux (atmosphérique, autre apport). Les données de la littérature sont peu nombreuses sur ce type d’évaluation pour des digestats. Elles montrent que pour les contaminants persistants tels que hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), les polychlorobiphényles (PCB), les polychlorodibenzo-p-dioxines/furanes (PCDD/F), les flux apportés par les produits résiduaires organiques (essentiellement boues urbaines) restent très inférieurs aux stocks du sol (contaminants ubiquistes, vieille contamination historique). Pour ceux-là, aucune accumulation n’est observée sur des parcelles épandues depuis 20 ans. Pour d’autres persistants comme les polybromodiphényléthers (PBDE) ou perfluorocarbures (PFC), plus récemment introduits dans notre environnement, les apports par les produits résiduaires organiques (boue essentiellement) restent visibles, avec des augmentations potentielles des stocks du sol.

Pour les contaminants à usage industriel et domestique important (détergent, plastifiant) présents à de fortes teneurs dans les produits résiduaires organiques d’origine urbaine (boue, compost/digestat de déchet vert, biodéchet et ordures ménagères résiduelles), les apports via les produits résiduaires organiques sont souvent visibles au regard des teneurs dans les sols avec de potentielles augmentations des stocks du sol, mais les études au champ n’ont jusqu’à présent montré aucune accumulation du fait de leur forte élimination observée dans les sols.

Pour les composés pharmaceutiques, les produits de soin et les biocides, les apports au sol se font majoritairement via les boues urbaines et les effluents d’élevage (épandage, pâturage), digérés ou non. Les flux peuvent être importants mais les concentrations mesurées dans les sols restent toujours très inférieures aux concentrations attendues du fait de la dissipation de ces molécules ; l’accumulation est donc faible et les transferts vers les eaux sont eux aussi très faibles.

En termes de transfert vers les plantes, les études montrent des transferts qui restent très faibles. Les données de travaux où des épandages ont été faits selon le cadre réglementaire ne montrent pas d’accumulation sur le long terme dans les sols, de très faibles transferts vers les eaux ou les plantes.

Références

Brimo, K. (2017). Modélisation de la dynamique des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) dans des sols soumis à un gradient de contamination allant d’un contexte agricole à un contexte industriel (Doctoral dissertation, Université Paris-Saclay (ComUE)).

Bourdat-Deschamps, M., Ferhi, S., Bernet, N., Feder, F., Crouzet, O., Patureau, D., … & Houot, S. (2017). Fate and impacts of pharmaceuticals and personal care products after repeated applications of organic waste products in long-term field experiments. Science of the Total Environment, 607, 271-280.

Prosser, R. S., & Sibley, P. K. (2015). Human health risk assessment of pharmaceuticals and personal care products in plant tissue due to biosolids and manure amendments, and wastewater irrigation. Environment international, 75, 223-233.

Valorisation des matières fertilisantes d’origine résiduaire sur les sols à usage agricole ou forestier. Impacts agronomiques, environnementaux, socio-économiques. Rapport d’expertise scientifique collective Inra-CNRS-Irstea (2014)

Sites expérimentaux SOERE PRO

Les plantes cultivées sur des sols amendés par des produits à base d’intrants organiques urbains et agricoles (digérés ou non) présentent des teneurs en ETM toxiques (Cd, Hg, Pb et As) inférieures aux limites de dosage des machines et a minima aux valeurs réglementaires/usuelles.

Les concentrations en Cu, Fe et Zn considérés oligo-éléments des plantes, sont dans la gamme des valeurs usuelles. Il en résulte que l’apport de matières à base d’intrants organiques n’engendre pas de contamination des grains pour Cd, Hg, Pb et As (présentant la majorité des attentions internationales), avec un maintien global des teneurs en oligo-éléments considérés eux-mêmes oligo-éléments pour les humains et importants au regard de la nutrition humaine comme Zn et Fe.

Les travaux ont aussi montré que même après plus de 15 ans d’apports aux sols, il n’y a pas d’effet négatif sur les microorganismes du sol. L’apport de produits organiques sous forme de matière organique mature compostée et présentant des pH alcalins est également associée à la diminution des fractions disponibles à la lixiviation dans les eaux et au prélèvement pour Cd, Zn et Ni.

Michaud, A.M., Sappin-Didier, V., Cambier, P., Nguyen, C., Janot, N., Montenach, D., Filipovic, L., Deltreil, V., Houot, S. (2021). Phytoavailability of Cd, Cr, Cu, Hg, Mn, Mo, Ni, Pb, Tl and Zn in arable crop systems amended for 13 to 15 years with organic waste products, Agronomy 2021, 11, 664.

Michaud, A.M., Cambier, P., Mercier, V., Rampon, J.N., Sappin-Didier, V., Deltreil, V., Houot, S. (2020). Mass balance and long-term soil accumulation of trace elements in arable crop systems amended with urban composts or cattle manure during 17 years of a long-term field experiment, Environmental Science and Pollution Research 27, 5367–5386.

Cambier, P., Michaud, A., Mercier, V., Germain, M., Paradelo, R., Bodineau, G., Lebourg, A., Revallier, A., Houot, S. (2019). Trace metal availability in soils of a long-term field experiment amended with various urban waste composts during 17 years – monitoring and modelling, Science of the total environment, 651, 2961-2974.

Michaud, A., Resseguier, C., Montenach, D., Morvan, T., Detaille, C., Feder, F., Houot, S. (2022). Eléments en traces métalliques et apports de Produits Résiduaires Organiques épandus en grande culture en contexte péri-urbain : Synthèse des résultats de l’observatoire SOERE PRO, Journée thématique COMIFER Oligo-éléments et contaminants métalliques en agriculture.

Michaud, A., Houot, S. (2020, 2021). Evaluation des risques – Résultats issus de l’Observatoire de recherche en environnement INRAE SOERE PRO, oral, webinaire l’Astee Hauts-de-France « Comment anticiper les évolutions réglementaires sur la valorisation des boues de STEP et l’impact des crises sanitaires ».

Michaud, A. (2022). Évaluer l’effet des PRO sur les teneurs en éléments traces métalliques, La France Agricole 3962 – 24 juin 2022