Brevet FR2042648A1 — publié le 19710212

: 2042648 L'invention concerne en général le traitement- ,des;.eaux usées et, .plus précisément, un''procédé.amélioré pour épurer -les eaux d-1 égouts îx: brutes par une "nouvelle séquence de traitement visant^à régler la distribution des poids moléculaires des matières organiques solubles dans les 5 eaux d'égouts brutes, de façon à établir des conditions optimales d'épu-_jratxo'n en fonction des exigences de qualité concernant 1'effluent. Les eaux usées en .provenance des réseaux d'égouts urbains ou d'installations industrielles contiennent en .général un, mélange très complexé' dë-contaminants Organiques et inorganiques, solubles et insolubles. 10 Le traitement de ces eaux usées pour produire un effluent dont là qualité permette de le Rejeter dans d.es cours d'eau pu autres milieux d'évacuation o.u, le cas échéant-, de le réutiliser implique l'extraction d'une par-*\tie de ces contaminants, le degré d'épuration requis étant déterminé par l'emplacement de la décharge ou par l'objectif.de réutilisation. Le trai-15 ibement efficace de ces eaux usées, dans des conditions économiques rai-: sonnables et avec un degré uniforme d'épuration représentait jusqu'ici un problème difficile. Les procédés de traitement classique des eaux usées sont appelés prétraitement, traitement primaire,-traitement secondaire et traite-20 ment tertiaire. La qualité d'effluent la plus élevée est généralement obtenue en appliquant une séquence d'opérations comprenant l'ensemble de ces procédés de traitement. Le prétraitement consiste ordinairement à extraire les gros objets contenus dans les eaux-vannes au moyen de grilles ou. d'autres ou-25 vrages appropriés et à éliminer les matières inorganiques en suspension dans un bassin de dessablement. Le traitement primaire est destiné à éliminer les matières solides sédimentables par décantation. Les décanteurs qui conviennent à cette fin sont bien connus dans la technique.Ces bassins -sont agencés de 50 manière à recevoir les eaux-vannes et à les retenir pendant une période suffisante pour.permettre aux.matières solides de se déposer, lés boues ou matières solides sédimentables -Concentrées étant extraites du fond du réservoir et le liquide clarifié étant déchargé à la partie supérieure de celui-ci. 35 ' Le traitement secondaire applique ordinairement l'un parmi deux procédés d'épuration biologique : le traitement par .lits bactériens per-" colateurs ou le traitement par boues activées. Dans le système des filtres percolateurs, les eaux usées, qui ont subi un traitement primaire, sont pulvérisées sur un lit de pierres ou sur un milieu de support plas-40 tifié, sur lequel on a laissé des bactéries se développer. Les bactéries 70 17638 2042648 adsorbent en partie les matières organiques contenues dans les eaux usées tandis que celles-ci s'écoulent, puis elles oxydent ces matières par exposition à l'air. Dans le procédé des "boues activées, les eaux • résiduaires sont introduites dans des réservoirs aérés, longs et étroits cj contenant des flocons ou amas résultant du développement de bactéries • sur un support de boue, flocons sur lesquelles les matières organiques . des eaux usées sont adsorbées et éventuellement métaboïisées. I" effluent pénètre-ensuite dans un réservoir de sédimentation où les flocons bactériens se déposent et sont renvoyés dans le bassin d'aération, tandis que les eaux usées clarifiées sortent par le hau^du réservoir. Le traitement tertiaire produit la meilleure qualité possible d'eaux résiduaires. en traitant un effluent secondaire par des additions. chimiques qui éliminent les matières solides colloïdales et en suspension, et fréquemment les phosphates « Cette addition d'agents chi-^ miques peut être suivie par une extraction de l'ammoniaque, consistant à faire barboter de l'air dans les eaux résiduaires à. un pH élevé, ce qui produit l'extraction de l'azote de la solution sous forme de gaz ammoniaco L'extraction de l'ammoniaque peut être suivie par un réglage du pH et une filtration au sable pour l'élimination de toutes les matiè- . 20 res solides résiduelles en suspension, elle-même suivie par une adsorp-ti.on au charbon activé pour extraire les matières organiques solubles, - puis par une javellisation .pour détruire les organismes pathogènes et, enfin, .par une osmose inverse visant à l'élimination des matières inorganiques solubles. .... • 25 • Un inconvénient notable de la production d'eaux résiduaires . ; de haute qualité par les procédés classiques de traitement consiste en ce,qu'il est très coûteux d'augmenter le pourcentage d'élimination des éléments de pollution aux niveaux élevés, ces procédés ayant un rendement global extrêmement médiocre à ces niveaux. Ce défaut dè: rendement 30 .résulte du.fait que les séquences de traitement classiques ne tiennent pas compte de la composition moléculaire des eaux-vannes et ne font pas intervenir un.réglage de cette composition pour améliorer le rende-• ment et l'efficacité du conditionnement des eaux d*égouts. - On sait- que.les eaux usées, courantes contiennent une distribu- 35 tion de molécules organiques, solubles ayant différents poids moléculaires.. Il a été mis. en..évidence que la distribution des poids mèlécu-v; >;laires.:dans ces eaux usées.n'était pas uniforme et que la plupart des •; molécules.se situaient dans une gamme de poids moléculaires supérieurs et dans une- gamme-de poids, moléculaires inferieurâj. Il a ,en outre été • 50 - démontré que;,1a présence d.'.une grande., quantité de. molécules organiques • -reoPY 70 17638 2042648 solubles à poids moléculaires élevés exerçait un effet néfaste sur le traitement des eaux usées, en agissant par de nombreuses voies qui seront étudiées ci-après. Les fluctuations de la qualité de l1effluent constituent une 5 autre difficulté que l'on rencontre dans le traitement classique des eauut" usées. Dans les séquences de traitement pour un produit de qualité supérieure, où il peut être envisagé de réutiliser les eaux usées après épuration, l'uniformité de qualité de l'eau produite revêt une grande importance. Les séquences de traitement, même lorsqu'elles comprennent 10 le traitement tertiaire le plus élaboré, ne donnent pas de résultats de • qualité homogènes. Une séquence de traitement, selon un mode de réalisation préfé-I ré de l'invention, comprend les phases consistant à transformer les matières organiques solubles à poids moléculaire élevé contenues dans 15 les eaux usées en des matières organiques à faible poids moléculaire ét à éliminer au moins en partie les matières organiques à faible poids moléculaire par un procédé visant à produire la qualité voulue de l'eau effluente. •: Pour en venir à l'examen détaillé de modes d'exécution actuel-20 lement préférés de l'invention, le procédé ici décrit vise'à améliorer la qualité d'une eau en éliminant les matières indésirables. Cela s' appliquera principalement aux eaux d'égouts brutes d'origine domestique et/ou industrielle ou aux eaux de ruissellement et eaux superficielles, mais il pourra aussi s'agir d'opérations de traitement de ce 25 que l'on peut considérer comme des eaux non usées. Selle qu'elle est ici comprise, l'expression "eaux d'égout brutes" s'applique à des eaux usées qui n'ont pas été épurées par les procédés de traitement biologique traditionnellement appliqués dans le traitement secondaire ou tertiaire. On supposera que les gros objets et les matières inorganiques 30 en suspension ont été extraits des eaux usées traitées par le procédé de l'invention, par exemple par dégrillage, dessablement ou écrèmage à l'occasion d'un prétraitement dans des ouvrages traditionnels et que les matières solides en suspension ont été partiellement éliminées par des prodédés téls qu*une'sédimentation massive ou une coagulation. 35 ' Un. élément fondamental du procédé de l'invention est la trans formation des matières organiques à poids moléculaire élevé-en matières organiques à faible poids moléculaire. Par ce traitement, les protéines et les pôlyosides à poids moléculaire élevé qui caractérisent les eaux usées sont décomposés en leurs éléments tels qu'acides aminés et oses n ou diholosides. Il a été"découvert que ces"particules plus petites sont 70 17638 , 2042648 extraites aes eaux usees, par adsorption ou par d'autres voies, beaucoup plus facilement que les particules de plus grande taille. Cela provient en partie du fait que les particules à poids moléculaire inférieur peuvent accéder aux pores internes des matériaux d'adsorption cj - physique et à l'intérieur des cellules biologiques. Il est donc possible de choisir, à la suite de la phase de transformation, une séquence de traitement qui produira une eau effluente ayant toute qualité voulue. En outre, il a été mis en évidence que la variabilité de la qualité de 1'effluent dans les séquences de traitement classiques était due pour une large part au manque d'uniformité des dimensions moléculaires des matières organiques solublefe. Par le prétraitement des eaux d1 égouts brutes pour y établir des dimensions moléculaires plus uniformes, l'invention assure une qualité constante de 1'effluent. Selon un mode de réalisation actuellement préféré de l'inven-15 tion, la transformation des matières organiques à poids moléculaire élevé est effectuée en hydrolisant la solution d'eaux usées par réglage du pH' et par retenue. Selon un procédé d'hydrolyse, les eaux d'égouts brutes sont dirigées vers un bassin de retenue ou sont ajoutés des agents chimiques appropriés, par exemple de la chaux sous forme d'hydroxyde de 20 calcium, et où les eaux usées séjournent pendant une période suffisante pour que l'hydrolyse puisse se produire. Dans d'autres formes d'exécution, le réglage du pH peut être effectué en faisant passer les eaux ■usées à travers un lit d'agent chimique régulateur de pH sous forme solide, ou encore par voie électrolytique. De plus, les matières à poids mo— -■ 25 léculaire élevé peuvent être décomposées par l'addition d'enzymes. Le temps de retenue nécessaire pour l'hydrolyse dépend du degré de réglage du pH adopté ou de la quantité d'enzymes ajoutés. Par exemple, si de 1' hydroxyde de calcium est ajouté à une solution d'eaux usées pour élever le pH à 11,2, le temps de retenue pourra être de 60 mn. La retenue 50 peut être effectuée à la manière habituelle, en établissant une alimentation permanente d'un bassin de retenue et une évacuation continué à j partir de celui-ci, réglées de manière à maintenir les eaux .usées pendant une* période moyenne égale au temps de séjour choisi. Lors de l'exécution de l'hydrolyse, l'effet du réglage du pïï et i5 de la retenue peut être favorisé par l'addition simultanée d'énergie extérieure, soit sous la forme de réglages de la" température et/ou de la pression, soit sous d'autres fôrmes, par exemple en ÊLisant appel à une énergie à haute fréquence, et notamment aux ultra-sons. Chacune de ces additions a pour effet d'accélérer la décomposition des matières orga-0. niques à poids moléculaire élevé et, selon un mode préféré'de réalisa— 70 17638 2042648 tion de l'invention, la température, la pression et d'autres conditions sont choisies de manière à réduire à un minimum le temps de séjour requis. La séquence de traitement, à lajsuite de l'hydrolyse, est choi-sie en fonction de la qualité voulue de l'effluent et,- selon un. mode de réalisation actuellement préféré de l'invention, elle fait intervenir 1'adsorption des matières organiques solubles par des moyens physiques et/ou biologiques, les procédés applicables pour obtenir 1'adsorption physique ou biologique de matières solubles organiques conte-10 nues dans les eaux usées sont bien connus dans la technique de l'épuration des effluents. Un procédé d1adsorption physique que l'on peut ci-fer à titre d'exemple consiste à faire passer les eaux usées à travers un lit de charbon activé ou d'un matériau.-d'adsorption similaire. Un procédé d'adsorption biologique consistera à faire passer les eaux usées sur une 15 couche de boues biologiquemen^actives, auquel cas les eaux usées peuvent être en mouvement par rapport à la couche de boues ou celle-ci peut se déplacer par rapport aux eaux usées, ou encore les boues et les eaux usées peuvent être simultanément en mouvement. Un procédé d1adsorption "biologique que l'on citera comme exemple consiste à soumettre les eaux 20 usées à des traitements par lits bactériens percolateurs ou boues activées, selon ce qui a été mentionné précédemment. Il est bien entendu qie l'adsorption peut être précédée d'un rajustement du pH des eaux usées' par recarbonabation, par addition; d'acides ou par d'autres moyens. Il y a lieu de noter que les adsorptions physique et biologique 25 peuvent être appliquées l'une et l'autre en un même traitement, soit en parallèle, soit en série, 1'adsorption biologique d'une partie au moins des matières organiques solubles précédant 1'adsorption physique. Une adsorption physique .et biologique en parallèle convient pour l'obtention d'une qualité particulière voulue de l'effluent. On y procède en subdi-30 visant les eaux usées en deux courants à la suite de leur hydrolyse et en traitant l'un de ces courants par voie physique, tandis que l'autre est traité biologiquement. En "faisant varier la proportion des quantités d'eaux traitées par adsorption physique et biologique, il est possible de produire une' eau effluente qui présentera toute qualité voulue 35 dans les limites d'une certaine gamme. -r Outre l'hydrolyse et l'adsorption œs matières organiques," les eaux usées peuvent être traitées en vue de l'élimination des matières solides colloïdales et en suspension, ainsd^que des substances nutritives telles que les phosphatés.' Cette opération peut s'effectuer en même temps 40 que l'hydrolyse, notamment dans le cas où l'on utilise des agents chimi- 70 17638 6 2042648 ques régulateurs de pH appropriés. Par exemple, si l'hydroxyde de calcium est 'utilisé pour régler le pH des eaux usées, les matières solides colloïdales et en suspension et les phosphates peuvent être extraits de ces eaux sous forme de boues, Le bassin de retenue prévu pour l'hydro-5 lyse peut être spécialement agencé pour permettre l'extraction de la boue au fond du réservoir et l'évacuation de-l'eau clarifiée à la partie supérieure de celui-ci. Dans d'autres circonstances, on peut extraire les matières solides, à volonté avant ou après l'hydrolyse. Dans ce cas, 1' extraction des matières solides peut être effectuée par l'addition d1 10 . autres agents chimiques convenant spécialement à cette fin ou-.au moyen d'un ouvrage séparé, notamment un lit filtrant de sable, d'anthracite ou de tout autre matériau approprié. la séquence de traitement, comprenant une hydrolyse qui vie d*uas adsorption biologique et/ou physique, élimine les matières organiques 15 solubles et en suspension dans une mesure telle que.des procédés d'extraction des. matières inorganiques , tels que ceux qui font appel à des membranes ou des résines échangeuses d'ions, deviennent beaucoup plus rentables. Par exemple, les procédés d'extraction des matières inorganiques par membrane, notamment l'osmose inverse et 1'électrodialyse, sont 20 rendus beaucoup plus économiques, du fait que la durée utile des membranes est prolongée par l'élimination de l'encrassement par les matières en suspension et de l'engorgement dû. au développement biologique qui est subordonné à la présence de matières organiques. D'autres procédés d'élimination des matières inorganiques, notamment la distillation,tireront 25 profit de ce traitement. La possibilité d'utilisation accrue de membranes se traduit par d'autres avantages dans certains, domaines ..particuliers d'utilisation de l'eau,par exemple lorsqu'il y a lieu d'obtenir une eau dépourvue de pyrogènes. Ainsi, un autre procédé, applicable à volonté selon 1'invention comprendra une hydrolyse avec ou sans.élimination des » 30. matières solides, suivie, d'une adsorption physique ou biologique, à laquelle fait suite une extraction des matières inorganiques. Il est bien entendu que de nombreuses autres, combinaisons de phases de traitement peuvent être employées dans la séquence qui fait suite à l'hydrolyse. Par exemple, au cas. où l'extraction des matières 35 organiques n'est pas nécessaire, l'hydrolyse peut ;être directement suivie par l'élimination, au moins partielle, des-matières solubles inorganiques contenues dans les eaux usées, par filtratipn ou autrement. De même, l'hydrolyse peut être suivie d'une élimination des matières.-solides en suspension, puis d'une, filtration par membrane.. Là.encore, l'hydrolyse 40 peut être suivie d'une désac.tiva.tion.-,des.,,micrporganismes.- c.ontenus dans • CÔPY 70 17638 2042648 les eaux usées, soit par l'addition de produits chimiques en un procédé de contact, soit par des additions d'énergie en un procédé sans contact. A titre d'exemple de telle additions, on peut citer, en ce qui concerne les agents chimiques, le chlore, l'ozone, le "brome, etc. et, pour ce qui est de formes d'énergie, la lumière ultra-violette, les ultrasons, le rayonnement gamma, etc. Il est bien entendu que, dans chacune des séquences de traitement possibles ci-dessus mentionnées, toute phase peut être en partie by-passée, de manière à réduire effectivement la part prise par la phase considérée dans le traitement global. Par exemple, dans une séquence de traitement comprenant une hydrolyse, une adsorption physique et une -filtration par membrane, il peut être désirable de ne filtrer qu'une fraction des eaux, usées initiales, de façon à extraire un moindre pourcentage de matières organiques à partir de 1'effluent total. 2^ ka phase hydrolyse de la séquence de traitement peut être effec tuée en traitant globalement le courant d'eaucusées ou en le subdivisant, selon un procédé de traitement qui sera ici appelé "contact d'hydrolyse". Dans le procédé de contact d'hydrolyse, le courant d'eaux d'é-gouts brutes introduit dans la séquence de traitement est divisé en 2q une fraction primaire et en une fraction secondaire. Le rapport entre les fractions primaire et secondaire peut être choisi en fonction du degré requis d'hydrolyse. Les eaux usées de la fraction primaire sont hy-drolysées par l'une quelconque des méthodes précitées, de sorte que les matières organiques solubles à poids moléculaire élevé contenues dans 2ç- cette fraction primaire soient transformées en matières organiques à faible poids moléculaire. Une partie déterminée du produit de l'hydrolyse de la fraction primaire est séparée et est mélangée à la fraction secondaire. La partie choisie séparée peut comprendre les boues et/ou une partie du liquide surnageant de la fraction principale. La combinai-son de la fraction secondaire et du produit séparé donne lieu à une se- • conde utilisation des agents d'hydrolyse et permet de tirer mieux profit de ceux-kïi. Les fractions primaire et secondaire issues du traitement de contact d'hydrolyse peuvent être ensuite réunies et soumises simultanément à une séquence de traitement choisie en fonction de la qualité voulue de l'effluent; ou bien la première fraction peut être traitée par un premier . procédé (par éxemple par adsorption physique) et la seconde fraction peut subir un second mode de traitèment (par exemple.une adsorption biologique), les produits de ces phases de traitement pouvant être ensuite réunis pour constituer 1'éau éffluente. 70 17638 8 - REVENDICATIONS - 2042648 1.- Procédé pour le traitement d'eaux usées, caractérisé par le fait qu'il comprend les phases consistant : (a) à hydrolyser les eaux usées brutes de telle sorte que les matières organiques solubles àpoids moléculaire élevé contenues dans ces eaux usées soient transfor- 5 mées en matières organiques à faible poids moléculaire; (b) à extraire de ces eaux usées au moins une partie des matières organiques, à faible poids moléculaire. 2.- Procédé pour le traitement d'eaux usées selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre la phse con— 10 sistant à extraire, au moins en partie, les matières solubles inorganiques contenues dans les eaux usées. 3.- Procédé pour le traitement d'eaux usées selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la phase (b) consiste à adsorber physiquement les matières organiques à faible poids moléculaire en fai- 15 sant passer au moins une partie des eaux usées à travers un matériau d'adsorption physique." 4.- Procédé pour le traitement d'eaux usées selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la phase (b) consiste en une adsorption biologique des composés à faible poids moléculaire en fai- 20 sant passer, au moins en partie, les eaux usées sur une surface d'adsorp-. tion biologique. 5.- Procédé pour le traitement d'eaux usées selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la phase (b) comprend les opérations consistant (b^) en une adsorption biologique, au moins partielle, 25 des matières à faible poids moléculaire, en faisant passer une partie au moins des eaux usées sur une surface d1adsorption biologique; etCbg) èn une adsorption physique, au moins partielle, du reste des matières organiques à faible poids moléculaire,, en faisant passer une partie au moins des eaux usées sur un matériau d'adsorption physique. 30 6.- Procédé pour le traitement d'eaux usées selon la revendica Uon 1, caractérisé par le fait que la phase (b) comprend les opérations consistant : (b^) à diviser les eaux usées en une première et une seconde" fractions; (bg) à adsorber physiquement, au moins en partie, les matières organiques à faible poids moléculaire contenues dans la première fraction, 35 en faisant passer au moins une partie de cette première faction sur un matériau d'adsorption physique; et (b^) à adsorber biologiquement, au" BAU UnrdlNAL 70 17638 9 2042648 moins en partie, les matières à faible poids moléculaire contenues dans la seconde fraction, en faisant passer au moins une partie de cette seconde fraction sur une surface d'adsorption biologique. 7.- Procédé pour le traitement d'eaux usées selon la revente "" dication 1, caractérisé par le fait que la phase (a) comprend les opérations consistant (a^) à régler le pK des eaux usées; et (a^) à retenir ces eaux usées dans des conditions choisies de température et de pression pendant une période de temps déterminée® 8.- Procédé pour le traitement d'eaux usées selon la revendica* tion 7, caractérisé par le feit que les conditions de température et de pression sont choisies de façon à réduire à un minimum le temps de séjour» 9.- Procédé pour le traitement d'eaux usées selon la revendica* tion 1, caractérisé par le fait que la phase (a) comprend les opérations .consistant : (an ) à mélanger des matières ensymatiques à la solution 15 -L d'eax usées; (ag) à retenir cette solution pendant une période de temps choisie. 10.- Procédé pour le traitement d'eaux usées selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre la phase 20 consistant à éxtraire des eaux usées les matières solides en suspension. 11.- Procédé pour le traitement d'eaux usées selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend on outre la phase consistant à désactiver les microorganismes contenus dans les eaux usées par l'addition d'agents chimiques. 25 12.- Procédé pour le traitement d'eaux usées selon la reven dication -1, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre la phase consistant à désactiver les microorganismes contenus dans les eaux usées par l'application d'énergie à ces dernières. 13.- Procédé pour le traitement d'eaux usées selon la revendi-30 cation 1, comprenant la phase consistant à subdiviser initialement les eaux usées brutes en.une fraction primaire.et' une fraction secondaire, et caractérisé par le fait que "la phase (a) consiste à hydrolyser la fraction primaire.de telle sorte que les matières organiques solubles à poids moléculaire élevé de cette fraction primaire soient transformées 35 en matières organiques à faible poids moléculaire; le procédé comprenant en outre les phases consistant : à séparer une quantité prédéterminée du produit de l'hydrolyse de la fraction primaire; à mélanger ce produit séparé avec la fraction secondiare; et à réunir les fractions "primaire et secondaire« xo 70 17638 2042648 14.- Procédé pour le traitement d'eaux usées selon la revendication 13s caractérisé par le fait qu'il comprend la phase consécutive consistant à appliquer un traitement complémentaire aux fractions réunies. 5 " ~ 15.- Procédé pour le traitement d'eaux usées selon la revendication 13, caractérisé par le fait que la phase de combinaison des fractions d'eaux usées comprend les opérations consistant : à traiter la fraction primaire par un premier procédé de traitement; à traiter la fraction secondaire par un second procédé de traitement; et à réunir lf 10 effluent du premier procédé, de traitement et l'effluent du second procédé de traitement. 16.- Procédé pour le traitement des eaux usées selon la revendication 13, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre la phase consistant à extraire des eaux usées les matières solides en suspension.