Brevet FR2950226A1 — publié le 20110325

AGENTS DÉCOUPLANTS ORGANIQUES L'invention concerne des dérivés organiques et leur utilisation comme agents découplants. L'invention concerne ces agents découplants en vue d'une utilisation dans le cadre de la régulation de la biomasse bactérienne dans les systèmes aqueux, en particulier en station d'épuration des eaux usées, ainsi que l'utilisation de ces agents et un procédé d'utilisation de ces agents. L'activité découplante d'une molécule, consiste à agir sur l'énergétique cellulaire bactérienne de manière à réduire la production de biomasse des eaux usées tout en gardant l'activité épuratoire de la cellule bactérienne par dégradation biologique de molécules organiques. Les détails de la biochimie et des mécanismes impliqués dans la respiration des cellules sont exposés, par exemple, dans la publication « Biochemistry », 3ème édition, auteur : Lubert Stryer, éditeur : W. H. Freemen & Company, New York, Etats-Unis, 1998 et également dans la publication « General Microbiology », 3ème édition, auteurs : Roger Y. Stanier, Michael Doudoroff et Edward A. Adelberg, éditeur : Macmillan, 1971. L'activité découplante d'une molécule sur la croissance bactérienne s'exprime in fine par une surconsommation d'oxygène induite par un déséquilibre de l'énergétique bactérienne. Cette activité découplante d'une molécule est intéressante pour une application en Station d'Epuration, dénommée par la suite en abrégé STEP, dans le cas où elle permet de réduire à la source la production de boues activées de manière significative. La production de biomasse et donc de boues activées dans le traitement des eaux usées, a pour origine la consommation des nutriments dans les eaux usées. Par un procédé de respiration, les nutriments sont oxydés et ceci dégage de l'énergie qui peut être utilisée par les micro-organismes dans le cadre de la division cellulaire. Or, la consommation des nutriments induit un flux de protons au niveau de la membrane bactérienne par le phénomène de phosphorylation oxydative; ce flux va établir un gradient de protons qui lui-même fait tourner des pompes à protons qui permettent la synthèse d'ATP(Adénosine Triphosphate) à partir d'ADP+P au niveau du complexe enzymatique ATP synthétase . L'ATP fournit l'énergie à la cellule lors des processus cellulaires (y compris la division cellulaire). Si ce dégagement d'énergie pouvait être évité, cela conduirait à une diminution de génération de biomasse par inhibition de la production d'énergie. Le découplage correspond à l'inhibition de la formation de réserves énergétiques sous forme d'ATP. Un agent découplant diminue le rendement énergétique de la combustion du carbone tout en augmentant la proportion de carbone oxydé en CO2. Le découplage se traduit donc par une moindre production de biomasse et une plus grande consommation d'oxygène. La biomasse bactérienne produite au cours du traitement des eaux usées est coûteuse à éliminer et donc une diminution de la biomasse conduit à une réduction des coûts d'élimination. Un but de la présente invention est de proposer des molécules découplantes dont l'efficacité est mesurée par une baisse de la production des boues biologiques à la source, c'est-à-dire dans les bassins d'aération des stations d'épuration urbaine, d'au moins 30 %. Un autre but de la présente invention est de proposer des molécules découplantes dont l'efficacité est sensiblement équivalente ou même supérieure à la molécule de référence THPS (Tétrakis hydroxymethyl phosphonium) dont l'efficacité sur la réduction de production de boue biologique a été montrée dans la demande de brevet WO 2004/113236. Un autre but de la présente invention est de proposer des molécules découplantes alternatives au THPS dont la dégradabilité abiotique et biotique est moins rapide que celle du THPS sans toutefois que lesdites molécules soient non dégradables ce qui poserait des problèmes d'environnement. Un autre but de la présente invention est de proposer des molécules découplantes dont le profil toxicologiques et écotoxicologiques est satisfaisant et en adéquation avec leur utilisation en STEP. En effet, ces molécules doivent avoir un impact faible sur l'environnement et in fine être biodégradable tout en ayant une dégradation biotique et abiotique leur permettant d'avoir une réactivité satisfaisante sur la biomasse bactérienne. Ces buts et d'autres sont atteints par la présente invention qui concerne en effet un procédé permettant de réguler la croissance de la biomasse bactérienne dans un système aqueux comprenant l'addition au système aqueux, ou la mise en contact avec le système aqueux, d'une quantité efficace d'un agent découplant choisi parmi la vanilline, le pentaerythritol et une bétaïne de formule générale (1) : (1) (R)3N+-[CH2] CO2- dans laquelle : Les groupes R identiques ou différents sont choisis parmi un groupe alkyle linéaire ou ramifié ayant de 1 à 8 atomes de carbone et n est un nombre compris entre 1 et 5. De préférence, R est un groupe méthyle, n est 1 et le produit de formule (1) est dénommé dans la littérature trimethylglycine, N-trimethylglycine, glycine bétaïne ou glycine de formule (2) : (2) (CH3)3N+-CH2-CO2 La quantité efficace d'agent découplant ajoutée au système aqueux peut représenter jusqu'à 5000 mg/l, par exemple jusqu'à 3000 mg/l, telle que jusqu'à 1000 mg/l. De préférence, la quantité efficace d'agent découplant ajoutée au système aqueux représente de 0,005 mg/I à 500 mg/l, par exemple de 0,01 mg/I à 300 mg/l, telle que de 0,05 mg/I à 100 mg/l. Plus préférablement, la quantité efficace d'agent découplant représente de 0,1 à 10 mg/I, par exemple de 0,5 mg/I à 7,5 mg/l, telle que de 1 à 5 mg/l. L'agent découplant peut être formulé avec un ou plusieurs des produits chimiques suivants conventionnellement utilisés dans le traitement des eaux usées : un tensioactif ; un agent antimousse ; un inhibiteur d'entartrage ; un inhibiteur de corrosion ; un biocide ; un floculant ; un agent facilitant la séparation solides/eau ; et un dispersant. De préférence, le système aqueux sera une usine de traitement des eaux usées qui est utilisée pour le traitement des effluents industriels ou municipaux. Cette installation récupère les eaux usées des procédés industriels (par exemple, la production de papier, l'industrie alimentaire, l'industrie chimique) et/ou des habitations domestiques et des bâtiments institutionnels et des installations similaires, en utilisant des micro-organismes dans des procédés aérobies, anoxiques (par exemple la dénitrification), pour consommer les polluants organiques et rendre l'eau adaptée en vue d'une réutilisation ou d'un rejet dans l'environnement. La présente invention propose donc un procédé pour réguler la croissance de la biomasse bactérienne dans un système aqueux, lequel procédé comprend la mise en contact d'une quantité efficace d'un agent découplant tel qu'il est défini précédemment, directement avec la biomasse bactérienne. Pour mettre en oeuvre ce procédé, il est recommandé de mettre en contact en un temps limité un volume maximal de boue activée avec l'agent découplant de manière à obtenir une efficacité optimale de celui-ci. Ainsi, pour les essais de pilote biologique en laboratoire, le contact direct de l'agent découplant dans l'eau avec la biomasse bactérienne est désigné par l'expression « dosage instantané » ou « mélangeage instantané » appelé en langue anglaise flashmixing. Par ailleurs, la quantité efficace d'agent découplant peut représenter de 0,1 à 1000 milligrammes par gramme de solides présents dans les boues (exprimés en Matières Sèches) dans le système aqueux, de préférence de 0,5 à750 mg/g, par exemple de 1 à 500 mg/g, telle que de 5 à 100 mg/g. La mise en contact de la biomasse bactérienne directement et rapidement (en d'autre termes avec un mélange optimal) avec l'agent découplant s'est avérée conduire à une amélioration de l'efficacité de l'agent découplant par la régulation de la biomasse bactérienne. On a découvert que si l'agent découplant est simplement ajouté directement à un bioréacteur contenant des boues alors l'efficacité de l'agent est sensiblement diminuée puisque l'agent découplant est capable d'interagir avec les autres matières présentes dans le bioréacteur et que l'action de cet agent découplant s'en trouve sensiblement réduite. Les exemples suivants illustrent l'invention sans en limiter la portée. Exemple 1: Mise en évidence de la réduction de boue par un dérivé organique en tests de screening oxitop : Pour évaluer la réduction de la production de boue par un agent chimique découplant en screening, on utilise la technique respirométrique des bouteilles Oxitop®. Des souches bactériennes connues et représentatives de la boue activée (car isolées dans des bassins d'aération) sont inoculées dans un milieu de culture en présence d'une certaine concentration de l'agent découplant sur une période de 7 jours. La comparaison de la respiration des inocula traités comparativement à des témoins (inocula non traités) permet de mesurer la surconsommation d'oxygène, signature physiologique de l'effet découplant sur les bactéries. La méthode et l'appareillage utilisés sont ceux décrits à l'exemple 3 de WO 15 2004/113236 cité comme référence. Les résultats obtenus en test de screening sur la souche de bactérie Shinella granuli , sont rassemblés dans le tableau 1 ci-dessous. Ils sont exprimés en pourcentage de découplage par rapport au témoin (ne comprenant pas d'agent découplant). Le THPS (tetrakis(hydromethyl)phosphonium sulfate) produit des 20 effets découplants dans les essais de respirométrie oxitop® de 16 ± 8 % pour une concentration nominale de 3 ppm, l'intervalle de confiance à 95 % du THPS en terme de facteur de découplage étant de [10-22], valeurs calculées à partir des résultats obtenus dans 26 essais Oxitop®. Tableau 1 Concentrations 0.1 0.5 1 ppm 2 ppm 3 ppm 8 ppm 10 ppm 20 ppm ppm pp m THPS 16 %* [10-22] Vanilline 5% 18% 14% 18%-25% 15%-22% 21%-21% 18%-23% 18% Pentaeryt 2% 8% 15-17%-17% 19% 21-21%- 22% hritol 19% Glycine 5% 18% 0% 20%-26% 24%-25% 20%-26% 12-20% bétaïne 25 6 Les propriétés toxicologiques et écotoxicologiques de ces molécules ont été évaluées à ce stade afin de sélectionner les molécules les plus prometteuses avant de passer à des stades d'évaluation ultérieurs en pilotes biologiques Du tableau 1, il ressort que : La vanilline montre une efficacité dès 0.5 ppm et ce jusqu'à 20 ppm. Le pentaérythritol montre une efficacité en test de screening dans des gammes de concentration comprises entre 2 et 20 ppm avec un facteur de découplage significatif car proche de 20 %. La glycine bétaïne a une efficacité optimale dans la gamme de concentration 2 à 10 8ppm. REVENDICATIONS1. Procédé pour réguler la croissance de la biomasse bactérienne dans un système aqueux comprenant l'addition au système aqueux, ou la mise en contact avec le système aqueux, d'une quantité efficace d'un agent découplant choisi parmi la vanilline, le pentaerythritol et une bétaïne de formule générale (1) : (1) (R)3N+=[CH2],-CO2 dans laquelle : Les groupes R identiques ou différents sont choisis parmi un groupe alkyle linéaire ou ramifié ayant de 1 à 8 atomes'de carbone et n est un nombre compris entre 1 et 5. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans la formule (1) R est un groupe méthyle et n = 1 et le produit de formule (1) est la trimethylglycine, N-trimethylglycine, glycine bétaine ou glycine. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la quantité efficace de l'agent découplant est comprise entre 0,005 et 5000 mg/l. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la quantité efficace 25 de l'agent découplant est comprise entre 0,01 et 1000 mg/l. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la quantité efficace de l'agent découplant est comprise entre 0,01 et 300 mg/l. 30 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la quantité efficace de l'agent découplant est comprise entre 0,05 mg/I à 100 mg/I.20 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la quantité efficace de l'agent découplant est comprise entre 0,1 mg/I à 10 mg/l. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la quantité efficace de l'agent découplant est comprise entre 0,5 mg/I à 7,5 mg/I. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la quantité efficace de l'agent découplant est comprise entre 1 mg/I à 5 mg/l. 10. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la quantité efficace de l'agent découplant est comprise entre 0,1 mg à 1000 mg par gramme de solides, exprimés en matière sèche, présents dans les boues dans le système aqueux. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que la quantité efficace de l'agent découplant est comprise entre 1 mg à 500 mg par gramme de solides présents dans les boues dans le système aqueux. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que la quantité 20 efficace de l'agent découplant est comprise entre 5 mg à 100 mg par gramme de solides présents dans les boues dans le système aqueux. 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système aqueux est une usine de traitement des eaux 25 usées en vue du traitement des effluents industriels ou municipaux.