Brevet FR2302281A1 — publié le 19760924

La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de conception nouvelle pour le contrle du fonctionnement des stations d'épuration biologique des eaux usées ; elle est plus particulièrement relative à un nouveau procédé de con truble des processus de dégradation des matières organiques, qui interviennent dans les bassins d' aération où #s'effectue ltépu- ration biologique des eaux usées, ainsi qu'à un appareil propre à permettre la réalisation d'un tel contrle sur le terrain. Les stations d'épuration sont soumises à des fluctuations importantes de flux de pollution. Dans le cas des eaux usées domestiques, en plus des variations de débit et de concentration liées aux activités humaines, peuvent se greffer des rejets occasionnels très chargés ou à caractère toxique en provenance des secteurs agricoles ou industriels qui sont insérés dans le milieu urbain. Dans le cas des eaux industrielles, le fonctionnement discontinu, les changements et les incidents de fabrication se traduisent# par des variations importantes à l'entrée de la sta-tion d'épuration. Le fonctionnement en régime transitoire est donc la règle. Or lorsque l'épuration est réalisée par voie biologique et notamment par le procédé des "boues activées", ces variations peuvent affecter gravement l'efficacité de la station. Le nombre et l'importance croissants des installations d'épuration#Ùiologique des eaux usées, du type de celles utilisant des boues activées, rendent donc indispensable la mise au point de moyens de contrôle précis et rapides du fonctionnement de ces installations. Compte tenu du fait que îa dégradation des matières organiques recherchée au cours du processus d'épuration par boues activées est, en fait,une'oxydation rendue possible par l'aération du milieu qui provoque une dissolution d'oxygène, et catalysée par les enzymes qui représentent l'élément actif de la culture bactérienne développée dans le bassin d'aération, c'est donc le taux d1 activité oxydante de ces cultures bactériennes qu'il est nécessaire de pouvoir mesurer afin de pouvoir définir, pour une station d'épuration biologique donnée, un seuil minimum au-dessous duquel 11 épuration n'est pas satisfaisante, et de pouvoir détecter rapidement toute anomalie au niveau bactérien, en cours de fonctionnement. Il a été mis en évidence par différents Chercheurs, antérieurement à la présente invention, que l'équipement enzymatique responsable des réactions d'oxydation qui réalisent la dégradation des matières organiques en aérobiose dans un bassin d'aération, est constitué par des déshydrogénases bactériennes, dont il est connu de mesurer l'activité par voie colorimétrique à l'aide de chlorure de 2-3-5 triphényltétrazolium (TTC) incolore qui est réduit en triphénylformazan (TF) de couleur rouge, parallèlement à l'oxydation et en quantités proportionnelles à l'activite oxydante des déshydrogénases bactériennes, conformément aux réactions (1) et (2) ci-dessous Cytochrome oxydase Matières PN# #FADH# ières organiques Matières ss Cytochromes)@ organiques / JV oxydées : R 1/2FADL Déshydrogénases bactériennes È;;;;2H+ I ## 6 CH3 KM J N FAD HC1 \ C H5~ + 2 H C6H5 6 Cl C 6H5 -N=N-C=N-N'-C H (2) I 65 H Chlorure de 2-3-5 Triphén#ylformazan triphényltétrazolium (TTC) (TF) rouge Toutefois, si le principe du contrôle des réactions de dégradation, par oxydation, des matières organiques par les boues activées, par la mesure de l'activité des déshydrogénases bactériennes par colorimétrie, a fait l'objet d'un certain nombre de publications, néanmoins il n'a pas été possible jusqu'à ce jour de mettre ce principe en pratique car les Chercheurs ne sont pas parvenus à résoudre les problèmes que pose le passage du principe à la pratique. C'est ainsi que les mesures réalisées conformément à 1'Art antérieur en se fondant sur le principe cidessus, ne reflètent en aucune manière les réactions d'oxydation qui se développent dans le bassin d'aération d'une station d'épuration, attendu que les Inventeurs ont pu mettre en évidence que, dans les méthodes proposées dans l'Art antérieur, les réactions enzymatiques sont inhibées soit par un excès de TTC, soit par un excès de TF formé, et que le TTC, photosensible, est altéré s'il est exposé, au cours de la mesure, aux rayons lumineux. De plus, les conditions opératoires proposées conformément à l'Art antérieur pour réaliser une détermination sur un témoin, parallèlement à la réaction, pour éviter tout parasitage par des réactions chimiques autres que celles des organismes vivants ou par la coloration éventuelle de matières dissoutes, ne constituent pas des mesures de comparaison, car elles ne présentent pas de similitudes avec les conditions opératoi- res dans lesquelles est réalisée la mesure colorimétrique de l'activité des déshydrogénases bactérjennes, Enfin, l'addition de substrats au milieu réactionnel, proposée par la plupart des Chercheurs, modifie celui-ci, en lui apportant mise, dans la plupart des cas, des substrats bactériens préférentiels tels que peptone, glucose, lactate de calcium, par exemple. La présente invention s'est en conséquence donné pour but de pourvoir à un procédé et à un appareil de contrôle du fonc tionnement des stations d'épuration biologique des eaux usées, qui répondent mieux aux nécessités de la pratique que les moyens visant au même but antérieurement connus, notamment en ce que le procédé conforme à l'invention est précis, reproductible, d'une grande fiabilité, reflète fidèlement les conditions qui prévalent dans la réalité, dans le bassin d'aération d'une station d'épuration, et est d'une mise en oeuvre simple et rapide, à l'aide d'un appareil aisément transportable, qui présente un volume relativement faible, qui est d'une grande simplicité de conception et d'emploi et permet une lecture rapide des résultats de la mesure réalisée. La présente invention a pour objet un procédé de contrôle du fonctionnement des stations d'épuration biologique des eaux usées, qui utilisent la technique des boues activées, par mesure de l'activité des déshydrogénases bactériennes présentes dans les boues activées d'un bassin d'aération de station d'épuration, lequel procédé est caractérisé en ce que l'on fait incuber dans des conditions opératoires identiques, d'une part une fraction de boues fraîches et d'autre part une fraction de boues dont l'activité enzymatique a été préalablement supprimée par traitement thermique, qui constitue la fraction témoin, en présence d'une quantité de TTC inférieure à 0,33 mg par mg de boues, en ce que, après séparation des boues, l'on recueille une phase liquide qui contient le TF obtenu par réduction du TTC, et en ce que l'on mesure par colorimétrie, après correction à l'aide de la fraction témoin, la quantité de TF formé, qui représente le taux d'activité total des boues activées et, par suite, le taux d'épuration de la station. Selon un mode de réalisation préféré du procédé objet de la présente invention, la durée de l'incubation des boues en présence de TTC est comprise entre 10 et 30 minutes. En outre, conformément à l'invention, l'incubation en présence de TTC est réalisée à l'abri de la lumière, et la température d'incubation est avantageusement comprise entre 20 et 400C. Conformement à l'invention, la quantité de TTC présente dans le milieu réactionnel soumis à incubation, est avantageusement comprise entre 0,0125 mg et 0,200 mg par ml de boues activées. L'agitation de la boue en présence d'un solvant organique permet d'extraire une proportion importante du TF formé, proportion qui est constante dans les conditions standards. Selon un mode de réalisation préféré du procédé objet de la présente invention , la mesure de la quantité de TF formé est réalisée directement par passage de la phase liquide sur une colonne d'adsorption qui retient la coloration sur une hauteur proportionnelle à la quantité de TF, transformant une mesure colorimétrique en une mesure linéaire permettant la lecture directe du taux d'activité total des boues activées. Selon une disposition avantageuse de ce mode de réalisation la colonne d'adsorption est constituée par de l'oxyde de magnésium activé. La présente invention a également pour objet un appareil de contrtle du fonctionnement des stations d'épuration biologique des eaux usées, qui utilisent la technique des boues activées, caractérisé par l'association d'une cellule de réaction, close par un couvercle amovible, et d'une cellule de filtration, avec un tube de chromatographie porteur d'une graduation linéaire et contenant une colonne adsorbante, pour la mesure du taux d'activité total des boues activées des stations d'épuration. Selon un mode de réalisation avantageux de l'appareil conforme à la présente invention, la colonne adsorbante est constituée par de l'oxyde de magnésium activé. Pour la mise en oeuvre du nouveau procédé de contrdle du fonctionnement des stations d'épuration biologique des eaux usées, conforme à la présente invention, l'on opère de préférence dans les conditions exposées ci-après : T 10) l'on porte à ébullition une fraction de boues fraiches, 100 ml, par exemple, pendant 15 à 30 minutes ; le volume initial est rétabli par addition d'eau pure, d'eau distillée, par exemple, et le mélange est refroidi. L'on obtient ainsi l'inactivation des déshydrogénases initialement présentes dans la fraction de boues fraîches. 20) Une fraction de boues fraîches et une fraction de boues bouillies comme décrit en 10 ci-dessus, sont mises dans deux erlens que l'on bouche, pour empêcher l'aération de leur contenu, que l'on enveloppe de papier d'aluminium pour mettre leur contenu à 1 t abri de la lumière ; on laisse reposer pendant 1/4 d'heure. a) Si le procédé est mis en oeuvre au laboratoire, les deux erlens reposent pendant 1/4 d'heure au bain-marie à une température de l'ordre de 35 à 370C et l'on met également au bain-marie à 35-370C de préférence pendant 1/4 d'heure, un flacon bouché et ne laissantr pas pénétrer les rayons lumineux, contenant une solution aqueuse. de TTC à 50 g/litre. Au bout de ce temps, l'on ajoute 0,1 mi de la solution de TTC dans chacun des erlens et l'incubation a lieu à une tempé rature de l'ordre de 35 à 370C, de préférence, pendant 1/4 d'heure, à l'abri de la lumière et en vase clos. b) Si le contrôle est réalisé sur le terrain, la fraction de boues fratches et la fraction de boues bouillies reposent dans des récipients clos, à l'abri de la lumière, pendant 1/4 d'heure à 200C environ. Au bout de ce temps l'on ajoute une pastille de TTC (10 mg de TTC) dans chacun des récipients, qui sont agités afin de faciliter la dissolution et l'homogénéisation ; l'incubation a lieu à 200C environ, pendant 1/2 heure, à l'abri de la lumière et en vase clos. 30) Séparation de la phase liquide contenant la coloration rouge constituée par le TF. a) La solution résultant de l'incubation à 370C est centrifugée à 6000 tours/minute pendant 15 minutes à 40C. Après élimination du surnageant, le culot de centrifugation est repris par un solvant organique tel que l'méthanol ou le n-pentane, par exemple. Après homogénéisation pendant une minute environ en utilisant un agitateur mécanique, l'on centrifuge à nouveau à 6000 tours/minute pendant 15 minutes environ à 40C. La densité optique du surnageant est mesurée immédiatement à 480 m > i au spectrophotomètre. A partir d'une gamme-étalon, la quantité de TF formé est calculée, après la correction à l'aide de la fraction témoin le taux d'activité total calculé équivaut au rendement de la réaction. b) Après incubation à 200 C, les boues sont filtrées sous vide, puis reprises par un solvant organique tel que le n-pentane ou l'méthanol par exemple, et agitées pendant 5 minutes avec celui-ci. Les boues sont alors à nouveau filtrées et le filtrat contenant le TF est recueilli. Le contrôle de l'activité enzymatique oxydante des boues activées est réalisé de différentes manières : - ou bien l'on mesure la densité optique du filtrat au spectro photomètre, portatif ou non - ou bien l'on mesure la densité optique à.l'aide d'un compara teur utilisant un disque-étalon par exemple - ou bien l'on réalise, à l'aide de l'appareil conforme à la présente invention, la mesure directe du taux d'activité total des boues activées, par lecture de la graduation du tube de chromatographie, dont la hauteur donne la quantité de TF rouge adsorbée sur la colonne de chromatographie, qui est avantageusement constituée par de l'oxyde de magnésium activé à 1100C pendant deux heures, lavé au diméthylformamide pur, puis au n-pentane. L'appareil d'une grande simplicité qui fait l'objet de la présente invention évite tout recours à un appareillage cot- teux, et notamment à la centrifugeuse et au colorimètre ou au spectrophotomètre, tout en simplifiant les méthodes de contrôle connues, en transformant la mesure colorimétrique en une mesure linéaire directement lisible. Outre les dispositions qui précèdent, l'invention com- prend encore d'autres dispositions, çii ressortiront de la description qui va suivre. La présente invention vise plus particulièrement les procédés et appareils de contrôle du fonctionnement des stations d'épuration biologique des eaux usées, conformes aux dispositions qui viennent d'entre énoncées, ainsi que les moyens propres à la mise en oeuvre de ces procédés, à la réalisation de ces appareils et à la réalisation des contrôles à l'aide de ces procédés et appareils. L'invention sera décrite de facon plus détaillée dans le complément de description qui va suivre, qui se réfère à des exemples de mise en oeuvre du nouveau procédé conforme à la présente invention, ainsi qu'au dessin annexé qui représente schématiquement un appareil de contrôle du fonctionnement des stations d'épuration biologique des eaux usées, conforme aux dispositions qui précèdent. Il doit être bien entendu, toutefois, que ce dessin et ces exemples de mise en oeuvre sont donnés uniquement à titre d'illustaation de l'invention, dont ils ne constituent en aucune manière une limitation. Exemple 1 On prélève 100 mi de boues fraîches et on porte à ébullition pendant 1/2 heure : le volume initial est rétabli par addition d'eau distillée et le mélange est refroidi. 50 mi de boues fratches et 50 mi de boues bouillies sont mis dans deux erlens bouchés et enveloppés de papier d'aluminium au bain-marie à 370C. On pratique de même pour la solution aqueuse de TTC (50 g/l) pendant 1/4 d'heure. On ajoute ensuite 0,1 mi de la solution de TTC dans chacun des erlens et l'incubation a lieu à 370C pendant 1/4 d'heure à l'abri de la lumière. On prélève deux fois 15 mi des deux solutions que l'on centrifuge aussitôt à 6000 tours/minute pendant 1/4 d'heure à 40C Le surnageant est éliminé et 15 mi d'éthanol à 950 GL sont ajoutés dans chacun des 4 tubes de centrifugation. Après homogénéisation pendant une minute on effectue une deuxième centrifugation à 6000 tours/minute pendant 1/4 d'heure à 40C. On mesure immédiatement la densité optique du surnageant à 480 mu au spectrophotomètre. A partir d'une gamme étalon la quantité de TF formé est calculée, après correction à l'aide de la fraction témoin. Le taux d'activité total équivaut au rendement de la réaction. Exemple 2 On prélève 100 mi de boues fratches et on porte à ébullition pendant 15 minutes. Le volume initial est ensuite rétabli par addition d'eau pure et le mélange est refroidi :ces boues serviront de témoin et subiront le meme processus que après - 100 mi de boues franches sont mis dans un récipient 1 fermé par un couvercle 2 à l'abri de la lumière à 200C pendant 1/4 d'heure. On ajoute alors 10 mg de TTC dans le récipient 1 qui est agité afin de faciliter la dissolution et l'homogénéisation. L'incubation a lieu à 200C pendant 1/2 heure, à l'abri de la lumière, dans le récipient 1 fermé par le couvercle 2. Les boues sont ensuites évacuées à la base du récipient 1, par enlèvement du bouchon 5 que comporte le fond de ce dernier, pour être filtrées sous vide de la trompe à eau, à l'aide de l'appareil de filtration 3, puis elles sont reprises et agitées pendant 5 minutes avec 100 mi de n-pentane. Les boues sont filtrées à nouveau comme il vient d'etre décrit et le filtrat contenant le TF passe à travers le tube gradué 4, qui est adapté sur le robinet 7 disposé à la base de l'appareil de filtration 3. Ce tube gradué contient une colonne de chromatographie 6 constituée par de l'oxyde de magnésium activé à 1100C pendant 2 heures, lavé au diméthylformamide pur, puis au n-pentane.Par ouverture du robinet 7, le filtrat s'écoule dans le tube 4 et traverse la colonne 6 qui adsorbe la coloration sur une hauteur qui est proportionnelle à la quantité de TF ; la graduation portée par le tube 4 permet de lire directement le taux d'activité total des boues activées. Il résulte de la description qui précède que,-quels que soient les modes de mise en oeuvre, de réalisation et d'application adoptés, l'on obtient des procédés et des appareils de contrôle du fonctionnement des stations d'épuration biologique des eaux usées, qui présentent par rapport aux procédés et aux appareillages visant au même but antérieurement connus, des avantages importants, parmi lesquels il y a lieu de mentionner les avantages suivants la mesure du taux d'activité total des boues activées constitue le reflet exact des phénomènes d'épuration biologique qui se produisent dans le bassin d'aération ; elle permet d'exercer une surveillance efficace sur le fonctionnement d'une station d'épuration ; elle permet d'éviter les incidents graves et de remédier immédiatement à toute anomalie du fonctionnement bactérien.Le procédé et l'appareil conformes à l'invention constituent des moyens simples, rapides et économiques de carac térisation de l'état bactérien de la station d'épuration. Ainsi que cela ressort de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes de mise en oeuvre, de réalisation et d'application qui viennent d'être décrits de facon plus explicite ; elle en embrasse,au contraire, toutes les variantes qui peuvent venir à l'esprit du technicien en la matière, sans s'écarter du cadre ni de la portée de la présente invention, et notamment l'application du procédé et du disposi-- tif de contrôle du fonctionnement des stations d'épuration biologique des eaux usées, conformes à la présente invention, à d'autres domaines, Bn particulier en médecine, en biochimie et en chimie. REVENDICATIONS 1 - Procédé de contrôle dufonctionnement des stations d'épuration biologique des eaux usées, qui utilisent la technique des boues activées, par mesure de l'activité des déshydrogénases bactériennes présentes dans les boues activées d'un bassin d'aération de station d'épuration, lequel procédé est caractérisé en ce que l'on fait incuber dans des conditions opératoires identiques, d'une part une fraction de boues fraîches et d'autre part une fraction de boues dont l'activité enzymatique a été préalablement supprimée par traitement thermique, qui constitue la fraction témoin, en présence d'une quantité de TTC inférieure à 0,33 .ag par mg de boues, en ce que, après séparation des boues, l'on recueille une phase liquide qui contient le TF et en ce que l'on mesure par colorimétrie, après correction à l'aide de la fraction témoin, la quantité de TF formé, qui représente le taux d'activité totales boues activées et, par suite, le taux d'épuration de la station. 20- Procédé selon la Revendicationtl, caractérisé en ce que la durée de l'incubation des boues en présence de TTC est comprise entre 10 et 30 minutes. 30 Procédé selon l'une quelconque des Revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'incubation en présence de TTC est réalisée à l'abri de la lumière. 40- Procédé selon l'une quelconque des Revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la température d'incubation est avantageusement comprise entre 20 et 400 C. 50- Procédé selon l'une quelconque des Revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la quantité de TTC présente dans le milieu réactionnel soumis à incubation, est avantageusement comprise entre 0,0125 mg et 0,200 mg par ml de boues activées. 60 Procédé selon l'une quelconque des Revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'extraction du TF formé est réalisée par agitation de la boue avec un solvant organique. 70 Procédé selon la Revendication 1, caractérisé en ce que la mesure de la quantité de TF formé est réalisée directement par passage de la phase liquide sur une colonne d'adsorption qui retient la coloration sur une hauteur proportionnelle à la quantité de TF, transformant une mesure colorimétrique en une mesure linéaire permettant la lecture directe du taux d'activité total des boues activées. 8 - Procédé selon la Revendication 7, caractérisé en ce que la colonne d'adsorption est constituée par un support, tel que de l'oxyde de magnésium activé, susceptible de retenir le TF coloré formé, par adsorption, sur une hauteur représentative du taux d'activité des boues activées. 9 - Appareil de contrôle du fonctionnement des stations d'épuration biologique des eaux usées, qui utilisent la technique des boues activées, caractérisé par l'association d'une cellule de réaction, close par un couvercle amovible, et d'une cellule de filtration, avec un tube de chromatographie porteur d'une graduation linéaire et contenant une colonne adsorbante, pour la mesure du taux d'activité total des boues activées des stations d'épuration. loo Appareil selon la Revendication 9, caractérisé en ce que la colonne adsorbante est constituée par un support granulaire susceptible de retenir le réactif coloré représentatif du taux d'activité des boues activées. 11 - Appareil selon la Revendication 10, caractérisé en ce que le support granulaire est constitué par de 1'oxyde de magnésium activé.