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TRAITEMENT DE BOUES D'EPURATION
Cette invention concerne un procédé de traitement
des boues d'épuration et les boues traitées par le
procédé susdit.
Le traitement des eaux usées brutes fait appel en
général à une étape de filtration ou de décantation
(dans laquelle les gros solides et le gravier sont
éliminés) suivie d'une étape dans laquelle la phase
aqueuse est soumise à une action bactérienne aérobie
servant à éliminer les substances biodégradables. Cette
dernière étape fait intervenir des "boues activées" qui
sont essentiellement une masse bactérienne concentrée.
Il faut éliminer les substances biodégradables avant de
décharger la phase aqueuse dans les cours d'eau, par
exemple les rivières, sinon la dégradation bactérienne
de ces substances dans la rivière consommerait l'oxy-
gène dissous, conduisant à la mort des poissons, à de
mauvaises odeurs et à la dégradation générale de
l'environnement. Durant la dégradation des substances
biodégradables, il se produit une croissance et une
multiplication des bactéries, ce qui se traduit par
l'accumulation de boues bactériennes qu'il faut
éliminer.
Le cas échéant, l'excès de boues peut être
"digéré" dans des conditions anaérobies où, essentiel-
lement, les bactéries se rééquilibrent dans les nou-
velles conditions pour produire du méthane et réduire
la biomasse mais, au final, il reste une masse irré-
ductible d'excès de boues qu'il faut éliminer. Il
existe un certain nombre de procédés d'élimination,
tels que décharge contrôlée et rejet en mer, aucun
d'eux n'ayant de faveur pour des raisons de pollution.
Dans l'alternative, l'excès de boues peut être incinéré
(coûteux) ou épandu sur des terres agricoles et, dans
ce dernier cas, les boues peuvent être employées comme
engrais/agent d'amendement du sol, ce qui est un
bénéfice.
CONFIRMATION COPY
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Malheureusement, ces boues peuvent contenir des
concentrations significatives de pathogènes et, si
c'est le cas, les boues nécessitent d'être désinfectées
pour réduire à un niveau environnemental et sanitaire
acceptable tout organisme pathogène éventuellement
présent, avant l'épandage des boues désinfectées sur
les terres. Un organisme indicateur, utilisé pour
quantifier le risque pathogène, est E. coli. Pour
satisfaire aux disposition statutaires du Royaume-Uni,
pour des boues traitées classiques, le niveau de E.
coli dans les boues doit être réduit de 99% (c'est-à-
dire une baisse logarithmique de 2) et le niveau
maximum acceptable de E. coli dans les boues d'épu-
ration traitées est de 105 par gramme de boues sèches
(gbs) . Pour des boues traitées améliorées au Royaume-
Uni, il ne faut pas que l'espèce Salmonella soit
présente et il faut que le niveau de E. coli soit
réduit d'au moins 99,9999% (c'est-à-dire une baisse
logarithmique de 6) . Le niveau maximum acceptable de E.
coli dans les boues d'épuration traitées améliorées est
de 103 par gramme de boues sèches. On s'attend à ce que
des exigences statutaires semblables soient adoptées
dans l'avenir dans toute l'Europe et aux USA.
Pour effectuer la réduction bactérienne, on peut
s'y prendre de différentes manières, notamment par
traitement à la chaux (salissant, exige des investis-
sements significatifs et pose de sérieux problèmes de
manipulation), traitement thermique (très coûteux) ou
simplement en stockant les boues jusqu'à ce que les
niveaux de bactéries passent au-dessous de la limite
requise. Dans ce dernier cas, les très grands volumes
de boues impliqués dans la plupart des stations
d'épuration d'eaux usées ne peuvent habituellement pas
être stockés pendant le temps qu'il faut en raison
d'une capacité de stockage insuffisante. Soit il n'est
pas pratique d'installer une capacité suffisante en
raison du manque de place, soit cela implique de gros
investissements.
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En théorie, un autre procédé de baisse de la
teneur en bactéries des boues serait d'appliquer un
désinfectant. Cependant, les désinfectants que l'on a
évalués jusqu'à présent se sont révélés prendre relati-
vement longtemps pour réduire la teneur en bactéries à
un niveau acceptable, créant ainsi des demandes de
stockage au-delà des ressources de la plupart des
stations d'épuration d'eaux usées. L'utilisation de
désinfectants est également coûteuse.
On a découvert que l'utilisation d'un composé
phosphoré (notamment d'un sel de phosphonium), seul ou
en combinaison avec d'autres traitements, sur des boues
d'épuration pouvait engendrer une baisse globale de la
teneur en pathogènes des boues traitées, par rapport
aux boues brutes non traitées, équivalant à une baisse
logarithmique d'au moins 2.
Par conséquent, la présente invention fournit un
procédé de traitement de boues d'épuration pour réduire
la teneur en pathogènes desdites boues, le procédé
comprenant les étapes consistant à :
(a) ajouter aux boues une quantité efficace d'un
composé phosphoré ; et
(b) maintenir le composé phosphoré en contact avec les
boues pendant un temps suffisant pour engendrer
des boues finalement traitées dans lesquelles la
baisse totale de la quantité de pathogènes
présente correspond à une quantité équivalant à
une baisse logarithmique (log) de 2 ou plus
comparée à la quantité de pathogènes présente dans
les boues non traitées.
Dans un mode de réalisation, le composé phosphoré
peut être ajouté à des boues d'épuration non traitées
(brutes). Le composé phosphoré est de préférence ajouté
en quantité suffisante pour réduire la quantité totale
de pathogènes dans les boues d'épuration non traitées
d'une quantité équivalant à une baisse logarithmique de
2 ou plus.
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Dans un deuxième mode de réalisation, lequel est spécifiquement
revendiqué ci-après, le composé phosphoré est toutefois ajouté à des boues
d'épuration qui
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ont déjà été soumises à un ou plusieurs traitements
pour réduire la quantité totale de pathogènes présente,
ces boues sont appelées dans la suite "boues pré-
traitées". Un traitement préféré utilisé pour engendrer
des boues prétraitées est la digestion anaérobie.
Le composé phosphoré est de préférence ajouté aux
boues prétraitées en quantité efficace pour réduire la
quantité de pathogènes présente dans les boues pré-
traitées de telle sorte que la baisse totale de la
teneur en pathogènes, après prétraitement et traitement
avec le composé phosphoré, comparée aux boues non
traitées, soit d'une quantité équivalant à une baisse
logarithmique de 2 ou plus.
Dans un autre mode de réalisation, le composé
phosphoré est maintenu en contact avec les boues pré-
traitées pendant un temps suffisant pour engendrer une
baisse totale de la teneur en pathogènes, par rapport
aux boues non traitées, d'une quantité équivalant à une
baisse logarithmique de 2 ou plus; et la baisse totale
de la teneur en pathogènes que l'on atteint en ajoutant
le composé phosphoré est d'une quantité équivalant à
une baisse logarithmique inférieure à 2.
Par conséquent, par exemple, les boues d'épuration
non traitées peuvent avoir été soumises à un traitement
de digestion anaérobie avant l'étape (a) . L'étape de
digestion anaérobie pourrait, par exemple, engendrer
une baisse de la teneur en pathogènes d'une quantité
équivalant à une baisse logarithmique de 1,0 à 1,8, de
préférence de 1,5. Les boues non traitées après le
traitement par une étape de digestion anaérobie
pourraient être appelées boues prétraitées. Un composé
phosphoré pourrait ensuite être ajouté aux boues
prétraitées pour abaisser encore davantage la teneur en
pathogènes. Le composé phosphoré pourrait engendrer une
baisse supplémentaire de la teneur en pathogènes d'une
quantité équivalant à une baisse logarithmique de 0,2 à
1,0 ou plus, de préférence de 0,5 ou plus, respecti-
vement par rapport à la teneur en pathogènes des boues
non traitées. Ce procédé pourrait engendrer une baisse
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totale de la teneur en pathogènes des boues d'une
quantité équivalant à une baisse logarithmique de 2 ou
plus comparée à la teneur en pathogènes des boues non
traitées, pour donner des boues finalement traitées.
De préférence, le procédé selon la présente
invention procure une baisse de la teneur en pathogènes
d'une quantité équivalant à une baisse logarithmique de
deux à six de la teneur en pathogènes présente dans les
boues finalement traitées, après un traitement par le
procédé de la présente invention, comparée à la teneur
en pathogènes des boues non traitées.
De préférence, le composé phosphoré est maintenu
en contact avec les boues pendant un temps suffisant
pour réduire la quantité totale de pathogènes présente
dans les boues, comparée aux boues brutes non traitées,
d'une baisse logarithmique de 3 ou plus et mieux encore
de 4 ou plus.
De préférence, le composé phosphoré est un composé
organophosphoré.
De préférence, le composé phosphoré est un composé
phosphonium, notamment un sel de tétrakis(hydroxy-
organo)phosphonium ou un composé de formule (I)
[R' R' ' (CH2OH) 2 P+] n Xn- (I)
dans laquelle :
n est la valence de X ;
R' et R", qui peuvent être identiques ou
différents, sont choisis parmi un groupement alkyle,
hydroxyalkyle, alcényle ou aryle, et X est un anion.
R' et R" font de préférence entre 1 et 20 atomes
de carbone de longueur.
X est de préférence choisi dans le groupe
constitué par un chlorure, un sulfate, un phosphate, un
acétate, un oxalate et un bromure.
Tout particulièrement, le composé phosphonium est
le sulfate de tétrakis(hydroxyméthyl)phosphonium.
Dans l'alternative, le composé phosphonium peut
être, par exemple, le chlorure de tétrakis(hydroxy-
méthyl)phosphonium, le bromure de tétrakis(hydroxy-
méthyl)phosphonium, le phosphate de tétrakis(hydroxy-
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méthyl)phosphonium, l'acétate de tétrakis(hydroxy-
méthyl)phosphonium ou l'oxalate de tétrakis(hydroxy-
méthyl)phosphonium.
Dans l'alternative, le composé phosphoré peut être
une phosphine portant un substituant alkyle, par
exemple la tris(hydroxyméthyl)phosphine telle que celle
représentée par la formule (II)
(CH2OHR2) P ( I I )
dans laquelle :
chacun des radicaux R, qui peuvent être identiques
ou différents, est choisi parmi un groupement alkyle,
hydroxyalkyle, alcényle ou aryle.
La quantité de composé phosphoré à ajouter aux
boues dans l'étape (a) du procédé de la présente inven-
tion est avantageusement jusqu'à 10 000 mg/l, de préfé-
rence de 100 - 2 500 mg/l, et notamment de 200 -
1 000 mg/l.
Dans l'alternative, la quantité de composé
phosphoré à ajouter aux boues peut être exprimée par
rapport au poids de l'extrait sec. Avantageusement, la
quantité à ajouter peut atteindre environ 30% en poids
de l'extrait sec. De préférence, la quantité de composé
phosphoré à ajouter peut être de 0,1 à 20%, par exemple
de 0,1 à 10%, comme de 0,2 à 5% ou de 0,4 à 2%, en
poids de l'extrait sec.
L'étape (b) du procédé de la présente invention
peut être réalisée sur une période de 1 seconde à 14
jours. Par exemple, de 6 à 24 heures, de 1 à 6 heures,
de 1 à 60 minutes, de 1 à 60 secondes ou de 1 à 15
secondes.
La baisse logarithmique de la teneur totale en
pathogènes peut être mesurée sur la base des boues
liquides de telle sorte que les boues liquides
finalement traitées obtenues après le traitement par le
procédé de la présente invention présentent une baisse
du niveau total de pathogènes d'une quantité équivalant
à une baisse logarithmique de 2 ou plus. L'expression
boues liquides est définie ici comme contenant une
teneur en extrait sec de 1 à 4% en poids.
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De préférence, la baisse totale de la teneur en
pathogènes équivalant à une baisse logarithmique de 2
ou plus que permet d'obtenir le procédé de la présente
invention est atteinte en un laps de temps qui est plus
court que le laps de temps qu'il faut si l'on n'utilise
pas de composé phosphoré. Par exemple, la baisse totale
de la teneur en pathogènes équivalant à une baisse
logarithmique de 2 ou plus que permet d'obtenir le
procédé de la présente invention est de préférence
atteinte en l'espace de 20 à 30 heures, mieux encore en
l'espace de 24 heures.
Dans l'alternative, la baisse logarithmique de la
teneur totale en pathogènes peut être mesurée par
rapport au gâteau de boues de telle sorte que les boues
finalement traitées obtenues après le traitement par le
procédé de la présente invention présentent une baisse
du niveau total de pathogènes, quand elles sont séchées
pour former un gâteau de boues, d'une quantité
équivalant à une baisse logarithmique de 2 ou plus. Un
gâteau de boues est défini ici comme contenant une
teneur en extrait sec de 20 à 30% en poids.
De préférence la baisse totale de la teneur en
pathogènes équivalant à une baisse logarithmique de 2
ou plus que permet d'obtenir le procédé de la présente
invention est atteinte en un laps de temps qui est plus
court que le laps de temps qu'il faut si l'on n'utilise
pas de composé phosphoré.
Le présent procédé garantit donc que, indépendam-
ment du fait que les boues traitées soient utilisées
sous forme de liquide ou sous forme de gâteau, la
baisse nécessaire des niveaux de pathogènes est
atteinte pour permettre aux boues traitées d'être
employées comme on l'exige.
La vitesse d'addition du composé phosphoré et la
vitesse de mélange sont importantes pour rendre maximal
le rendement du procédé. Pour rendre maximal le
rendement, les deux doivent être aussi courts que le
permet la pratique et le temps de contact doit être
maximisé.
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Dans les procédés qui font appel à une sédimenta-
tion par gravité naturelle des boues d'épuration,
l'étape (b) dure de préférence 6 à 24 heures. Dans les
procédés dans lesquels les boues traitées sont, le cas
échéant, égouttées, par exemple à la centrifugeuse ou
au filtre-presse, pour produire un "gâteau de boues",
l'étape (b) est de préférence réalisée en 15 secondes à
24 heures. Des adjuvants d'égouttage tels que des
chlorures de polydiallyldiméthylammonium, des poly-
amines, des polyacrylamides cationisés et des poly-
acrylamides anioniques peuvent être employés dans la
production d'un gâteau de boues.
Les pathogènes présents dans les boues sont
avantageusement choisis dans le groupe constitué par :
= les bactéries, notamment Escherichia coli,
l'espèce Salmonella, l'espèce Shigella, Vibreo
cholerae, Bacilles cereus, Listeria monocytogenes,
l'espèce Campylobacter et Yersinia pestis ;
= les virus, notamment les rotavirus, les
calcivirus, les adénovirus du groupe F et les
astrovirus ;
= les protozoaires, notamment l'espèce Entamoeba,
l'espèce Giardia, Balantidium soli et l'espèce
Cryptosporidium ; et
= les helminthes et leurs oeufs, notamment les
nématodes, par exemple, Ascaris lumbricoides (ascaris),
Trichuris trichiura (trichocéphale), Ancylostoma
duodenale (ankylostome), Strongyloides stercoralis
(anguillule) ; les trématodes, par exemple, l'espèce
Schistosoma ; et les cestodes, par exemple, Taenia
saginata (ténia du boeuf) et Taenia solum (ténia du
porc).
La présente invention fournit en outre des boues
d'épuration qui ont été traitées selon le procédé
décrit ci-dessus. Les boues d'épuration peuvent être
des boues liquides ou peuvent être un gâteau de boues.
La présente invention va être illustrée au moyen
des exemples suivants.
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Dans les exemples, le composé phosphoré employé
pour traiter les boues d'épuration était à 75% en poids
du sulfate de tétrakis(hydroxyméthyl)phosphonium,
disponible auprès de Rhodia Consumer Specialties
Limited. Pour les besoins de ce mémoire descriptif, le
produit sera appelé dans la suite "sel de phosphonium".
A titre de comparaison, les boues d'épuration ont
été traitées avec un composé désinfectant classique, le
dibromonitrilopropionamide (DBNPA).
Dans chaque exemple, la bactérie observée était E.
coli.
EXEMPLES 1 A 4
1.1 METHODOLOGIE
La méthodologie adoptée pour évaluer la perfor-
mance biocide a été l'essai de suspension quantitatif
(ESQ) employant comme milieu ESQ des boues de digesteur
anaérobie stériles, inoculées en retour avec des
cultures de E. coli préalablement isolées des boues. De
cette façon, on a pu utiliser un environnement chimique
cohérent (boues stériles) en conjonction avec une
provocation bactérienne définie. Cela permet d'obtenir
une cohérence entre les essais.
1.2 EVALUATIONS MICROBIOLOGIQUES
On a préparé des boues stériles à partir d'échan-
tillons de boues brutes en les passant à l'autoclave à
121 C pendant 20 minutes. Les souches de E. coli
employées dans l'ESQ avaient été isolées d'échantillons
de boues brutes.
L'ESQ a été réalisé de la manière suivante
= Les boues stériles (19 ml) ont été placées dans
des flacons universels en matière plastique stériles, à
bouchon à vis, de capacité nominale 30 ml.
= On a ajouté à chaque échantillon 0,5 ml d'une
suspension cellulaire de E. coli lavée, préparée à
partir d'une culture de 16 heures incubée à 44 C dans-
du bouillon de tryptose soja, qui avait été centrifugé
(à 14 500 tours/min pendant 10 min) et remis en
suspension dans du tampon phosphate stérile (0,2M à pH
7,2). Un inoculum de 0,5 ml a été suffisant pour
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fournir une concentration cellulaire finale d'environ
10$ par ml dans 20 ml de milieu ESQ.
= On a préparé des solutions titrées fraîches des
produits chimiques de traitement étudiés dans du tampon
phosphate stérile (0,2M à pH 7,2) à des concentrations
telles que, en ajoutant 0,5 ml au milieu ESQ (volume
final de 20 ml), on obtienne la concentration finale de
biocide voulue.
= On a bien mélangé le milieu ESQ et on l'a
maintenu à 22 C pendant la durée de l'essai.
= A intervalles de temps pendant l'essai, on a
bien mélangé les boues et on a prélevé des échantillons
(1,0 ml) dans le milieu ESQ que l'on a inoculés dans
premier le tube de dilutions successives contenant du
bouillon de MacConkey enrichi avec du thiosulfate de
sodium (5,0 g/l), pour inactiver tout biocide résiduel
éventuellement entraîné dans les dilutions successives.
Cette opération a été réalisée en double exemplaire.
= Le reste des dilutions successives (par étapes
de 1/10) a été réalisé dans du bouillon de MacConkey
seul et les tubes incubés à 44 C pendant 16 heures. Le
virage a été marqué comme étant la dilution la plus
élevée de la série présentant un changement de couleur
du pourpre au jaune et ayant fait apparaître un
trouble.
On a choisi du bouillon de MacConkey car ce milieu
contient l'indicateur de pH pourpre de bromocrésol qui
vire du pourpre au jaune lorsque le milieu devient
acide. Il s'agit d'un indicateur indirect utile de la
croissance microbienne (production d'acide organique)
lorsque celle-ci ne peut pas être évaluée par l'appa-
rition d'un trouble dans un milieu limpide à l'origine.
Etant donné que les boues contiennent des solides en
suspension, les 2 premiers tubes de la série de
dilutions font apparaître instantanément un trouble dès
l'instant où l'on ajoute des boues. Cela fait qu'on ne
peut pas utiliser un trouble seul comme indicateur de
la croissance microbienne.
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11
Les biocides utilisés dans les évaluations sont
présentés dans le tableau qui suit.
TYPE DE BIOCIDE PRINCIPE ACTIF POURCENTAGE DE pa
(pa)
Sel de THPS 75
phosphonium
DBNPA DBNPA 98
EXEMPLES 1 à 3
La performance du sel de phosphonium dans l'inter-
valle de concentrations de 250 à 1 000 mg/I a été testée. Des concentrations
de
250 et 500 mg/l ont donné des résultats semblables, avec une courbe de
destruction en fonction du temps bien plate pendant les 6 premières heures de
contact, suivie d'une baisse des nombres jusqu'à la destruction totale en
l'espace
de 48 heures.
En revanche, la réponse donnée par la courbe de
destruction en fonction du temps à 1 000 mg/1 était
bien plus rapide. La courbe de destruction en fonction
du temps durant les 6 premières heures de contact était
plus progressive et on a obtenu une destruction totale
en l'espace de 24 heures.
A titre de comparaison, les niveaux de E. coli
dans les boues non traitées baissent naturellement
lentement. Même en partant d'un bas niveau de E. coli de 104 cfu/gbs, il a
fallu 6
jours pour arriver à une destruction totale. En partant d'un niveau plus élevé
de
108,5 cfu/gbs, le niveau ne s'est abaissé qu'à 104 cfu/gbs au bout de 8 jours.
Le
bénéfice du traitement au sel de phosphonium se manifeste donc pleinement.
EXEMPLE 4
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La performance du sel de phosphonium comparée à celle du DBNPA a
également été testée. On a étudié les deux biocides à concentration égale de
principe actif, de 500 mg/l. Le DBNPA présente une performance anti-
microbienne
étonnamment mauvaise, qui n'atteint qu'une baisse logarithmique de 2,5 en
nombre
au bout de 48 heures.
Les exemples qui précèdent mettent en évidence les
caractéristiques suivantes de la présente invention :
(a) Augmenter la concentration du sel de phosphonium
utilisée dans le traitement de 500 à 1 000 mg/1
apporte une amélioration significative de la
performance.
(b) Dans tous les traitements évalués, on a obtenu une
destruction totale.
(c) Comparée avec la performance du DBNPA, la
performance du sel de phosphonium était meilleure.
EXEMPLE 5
EXEMPLE 5
La performance du sel de phosphonium pour traiter
des eaux usées brutes non traitées n'ayant pas été
soumises à des étapes de prétraitement telles qu'une
digestion anaérobie a également été testée.
La performance du sel de phosphonium a été étudiée
à concentration de principe actif égale, de 375 mg/l et
de 500 mg/l.
On a obtenu une baisse logarithmique de 3 du
nombre de E. Coli après seulement un peu plus d'une
minute de contact entre les boues d'épuration brutes
non traitées et le sel de phosphonium à une concen-
tration de 500 mg/1 et après seulement un moins moins
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13
de deux minutes de contact entre les boues d'épuration
brutes non traitées et le sel de phosphonium à une
concentration de 375 mg/l.
