Brevet FR2148601A1 — publié le 19730323

La présente invention se rapporte à des procédés biologiques et aérobiques pour le traitement des fluides ou des eaux résiduaires, et elle concerne également un appareil pour la mise en oeuvre de ce procédé. Jusqu'à présent, on effectuait en général le traitement biologique aérobique de purification des matières et liquides résiduaires par trois procédés : a) boue activée ; b) filtres à dégouttement, et c) irrigation. On a salement utilisé des filtres immergés avec ou sans aération, mais on les a abandonnés à cause des difficultés de fonctionnement et des faibles rendements de traitement. Les deux procédés les plus utilisés actuellement sont les procédés qui utilisent la boue activée et les filtres à dégouttement. Ces systèmes sont économiques et efficaces, mais ils nécessitent, pour obtenir une purification biologique complète, un clarificateur primaire et un clarificateur secondaire. Dans le cas de la boue activée, ils nécessitent de grandes quantités d'air et de grands réservoirs, pour assurer de longues durées d'aération. Dans le cas des filtres à dégouttement, ils nécessitent des structures importantes, ils posent des problèmes de fonctionnement dans des conditions de température froides, ainsi que des problèmes d'odeurs. En plus des défauts ci-dessus, il faut adjoindre à ces procédés une étape de traitement tertiaire pour obtenir un traitement plus complet. L'invention remédie aux inconvénients précités et permet d'obtenir un haut degré de purification biologique en une courte durée et en nécessitant peu d'air comprimé. L'invention réduit également la quantité de béton ou autre matériau de construction requis, ce qui offre des avantages économiques importants, tout en permettant d'éliminer le clarificateur primaire et le clarificateur secondaire. En outre, lorsqu'on utilise l'appareil selon l'invention dans un agencement à étapes multiples, il purifie les matières résiduaires, de façon à permettre de les recycler et de les réutiliser directement dans des systèmes de distribution d'eau. résiduaires et du degré de purification requis. La durée de contact entre les matières résiduaires et le lit pour obtenir une purification biologique complète sera, en pratique, très courte, et la quantité d'air requise sera très faible. On peut réaliser des variantes du ABFB en couches multiples comme on le désire, dans une seule structure ou dans plusieurs structures. Les différentes couches peuvent présenter des dimensions différentes et des densités différentes, selon les conditions de réalisation spécifiques. L'air sera introduit au bas de l'unité et l'on pourra introduire de l'air supplémentaire, au moyen d'une grille de distribution, à une hauteur quelconque dans le lit. Une variante de l'invention combine en une ou plusieurs structures une couche biologique aérée active, suivie par une couche de filtration pure où l'air est introduit audessus de la couche de filtration pure. La couche de filtration peut se trouver juste au-dessous de la couche biologique, ou bien elle peut être séparée par un faux-fond. Un autre agencement comporte un collecteur d'effluent à grille à l'intérieur du milieu. La matière résiduaire aérée s'écoule ainsi du dessous du lit et du dessus de celui-ci, et elle est recueillie par la grille et évacuée. Toutes les variantes citées ci-dessus fonctionnent, sont aérées et sont lavées à contre-courant, de la m8me façon que le ABFB de base à un seul milieu décrit dans la demande de brevet précitée. Une autre variante consiste à diviser l'unité en petites cellules à couches uniques ou multiples, aérées ou non, de façon à pouvoir laver à contre-courant chaque cellule. Une autre variante consiste en un ABFB dans lequel est incorporé un mécanisme de raclage de milieu comprenant une écumoire de surface. Une autre variante consiste en un ABFB de base, dans lequel est incorporée une couché mobile de sable qui recircule sous l'action d'une pompe mammouth, ou analogue. La matière résiduaire s'écoule de haut en bas, et l'air de bas en haut. La couche mobile de sable est en haut du filtre et c'est la couche qui devient la plus obstruée. Cette couche tombe dans des cavités en pente à connues. Dans les deux cas ci-dessus, on recueille la matière en excès qui a été retirée du lit dans le concentrateur de boue, et on l'en retire. L'eau de lavage à contre-courant peut être constituée par du liquide résiduaire purifié ou par de l'eau provenant d'une source extérieure. On peut racler l'effluent de lavage à la tête de l'installation. La durée de lavage à contre-courant ne doit pas dépasser 20 minutes, et l'on remet ensuite le ADFB en service. La durée de fonctionnement entre deux lavages dépendra de la dimension du milieu, de sa profondeur, ainsi que du degré de purification désiré des matières résiduaires données, et elle sera dictée par la qualité de l'effluent. Le rôle essentiel du ADFB est de garantir un fort degré de réduction de BOD en très peu de temps, en utilisant la surface extrêmement étendue fournie par le milieu. Ce milieu assure à la fois la bio-coagulation et la minéralisation des matières organiques qui restent sous forme de suspensions colloidales ou de composés dissous après avoir traversé le compartiment à boue activée. Pour atteindre les buts précités, on envoie de l'air comprimé au bas du filtre de façon continue, à un débit variable ou cycliquement. Le courant de liquide résiduaire traversant le ABFB peut autre ascendant ou descendant, comme on le désire. Le milieu filtrant peut utiliser du sable, du gravier, de l'anthracite, du carbone activé ou n'importe quelle autre matière appropriée, à des dimensions et des poids spécifiques variables et selon des combinaisons variées. La construction du système de distribution et/ou de rassemblement des matières résiduaires et de l'air à la fois, est semblable à celle des techniques connues employées couramment. Cela implique des autres comportant un faux-fond et des tamis, ainsi que des filtres pourvus de systèmes de canalisations souterraines ou des blocs de tuile ou des boules de porcelaine, etc.La dimension des filtres, ainsi que la quantité d'air, la profondeur du milieu, la dimension des particules et d'autres détails de construction dépendent des matières liqueur mixte (concentration MLSS). Dans le cadre de l'invention, pour réduire les volumes des compartiments et le prix de revient, les charges de BOD et les concentrations MLSS sont très élevées, tandis que la durée de séjour est très courte. Cela aboutit à un rendement d'élimination BOD inférieur qui est, cependant, entièrement compensé par l'élimination BOD de la seconde étape, c'est-à-dire par I'aBFB. S'il est nécessaire de fournir de l'air supplémentaire pour l'étape mettant en jeu la boue activée, on peut prévoir un système d'aération supplémentaire utilisant de l'air diffusé, ou une aération mécanique, ou en utilisant une grille de diffusion placée dans la couche supérieure du milieu. On introduit les matières résiduaires dans le compartiment à boue activée par les techniques classiques connues. L'extraction de la boue en excès du compartiment à boue activée (étape 1) a lieu dans un concentrateur de boue conçu spécialement, ce qui réduit le volume de boue retiré. Ce concentrateur peut être placé, dans certains cas, à l'extérieur de l'unité, ou même être complètement séparé de l'unité. Le concentrateur peut autre à recirculation par gravité ou bien à recirculation par une pompe mammouth ou un autre dispositif de pompage. On traite alors cette boue selon les techniques disponibles et désirables. Lorsque les paramètres de traitement l'exigent, la boue en excès est renvoyée dans le compartiment à boue activée. Le lit de filtration biologique aéré (seconde étape) est conçu et réalisé de la même façon que les filtres à eau potable à sable connus, sauf que le lit de filtration contient une masse biologique et est aéré en cours de fonctionnement. La quantité d'air requise et la dimension du milieu dépendent de la nature des matières résiduaires à traiter ou du rendement de traitement désiré. En outre, chaque fois qu'il le faut le ABFB est lavé à contre-courant.On peut effectuer le lavage à contre-courant de l'une des deux façons possibles : a) en augmentant la quantité d'air sans arrêter le fonctionnement du filtre, ou b) en utilisant une combinaison d'air et d'eau, selon les techniques actuelles Selon l'invention, considérée dans sa forme essentielle, le traitement des matières résiduaires a lieu dans une seule unité, la matière résiduaire traverse d'abord la partie supérieure qui est un compartiment contenant de la boue activée, pour pénétrer dans une partie inférieure qui est un lit de filtration biologique aéré conforme à la demande de brevet français n0 703 3479, du 11 septembre 1970, au nom du Demandeur. L'air introduit dans la partie inférieure du lit de filtration biologique aéré traverse ce lit et, au-dessus de lui, il aère le compartiment contenant la boue activée.Dans cette forme de base, l'invention permet d'effectuer un traitement biologique à deux étapes dans une seule chambre, n'utilisant qu'une seule étape d'aération, dans lequel la première étape est comparable au procédé par boue activée et la seconde étape est le procédé utilisant un lit de filtration biologique aéré (ABFB). Le lit (ABFB) élimine par filtration l'effluent de l'étape mettant en jeu la boue activée, ce qui dispense d'avoir recours à un second clarificateur, et en outre la bactérie développée sur les milieux, purifie encore les matières résiduaires, ce qui permet de réaliser un traitement biologique plus complet. L'étape mettant en jeu la boue activée permet d'éviter d'avoir recours à un clarificateur primaire. L'aération du lit (ABFB) est soumise à trois conditions. D'abord, l'oxygénation de la bactérie qui s'est développée dans les milieux. Ensuite, l'élimination des bactéries en excès en les envoyant dans la zone contenant la boue activée et, troisièmement, le maintien d'une porosité constante du milieu de filtration, de façon que l'écoulement des matières résiduaires à travers ce milieu reste dépourvu d'une chute de pression excessive. Les matières résiduaires traitées selon ce procédé ont subi un traitement biologique complet et, après la stérilisation, elles sont déchargées dans la masse réceptrice. Lorsqu'on répète ce procédé dans un agencement à étapes multiples, le rendement de purification est extrêmement élevé. La boue activée (étape 1) agit, avec les paramètres actuellement admis pour ce procédé, dans une large gamme de charges de BOD (demande en oxygène biologique) et de concentrations SS en côté du lit d'où la pompe mammouth fait recirculer cette couche et la lave à contre-courant en même temps. Le sable qui recircule est évacué dans un canal ou un tuyau ouvert, placé dans la partie supérieure de l'unité, où une entrée d'air secondaire accélère le lavage du sable. On peut aussi faire recirculer le milieu supérieur en l'acheminant vers une pompe mammouth. Le milieu va vers l'entrée du tuyau de la pompe mammouth, et il est éjecté dans la couche de boue activée pour se redéposer à la surface du milieu ; en même temps, cela a un effet de lavage à contre-courant du milieu. Dans une variante des solutions ci-dessus, on fait recirculer l'ensemble du lit de sable en utilisant un dispositif à pompe mammouth dans une unité comportant une ou plusieurs trémies coniques dans sa partie inférieure et une pompe mammouth ou analogue dans la partie centrale de la trémie. Une grille de distribution d'air et une grille recueillant les matières résiduaires traitées et renvoyant l'eau de lavage à contre-courant lorsque l'unité doit être lavée, sont enfouies dans la couche supérieure du milieu. Une autre variante consiste en une unité à recirculation de sable qui-n'est pas aérée, mais joue uniquement le rôle d'un filtre. Le sable est contenu dans une section conique centrale au milieu de laquelle se rassemble l'effluent traité. Tandis que le sable passe dans le fond de la trémie, il recircule sous l'action d'une pompe mammouth ou analogue vers un canal ouvert traversant le réservoir ou un tuyau situé dans la partie supérieure de l'unité. À ce moment, une introduction d'air supplémentaire sert à laver à contre-courant le sable. Tout autour de cette section conique centrale se trouve l'unité à boue activée qui est aérée par des dispositifs d'introduction d'air-séparés et classiques. En outre, toutes les variantes décrites, ainsi que l'unité de base, peuvent être installées suivant différentes formes et configurations, en série, tout comme sous forme d'unités existantes telles que des clarificateurs primaires, des unités à boue activée, des unités d'aération complètes à fort débit combinées, et d'autres ouvrages existants pour augmenter leur capacité et/ou améliorer leur rendement. La description détaillée qui va suivre, et les dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs, feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Aux dessins annexés la figure 1 représente une coupe de l'appareil de traitement des matières résiduaires par la combinaison de boue activée et d'un lit de filtration biologique à milieu unique, aéré par dessous, les matières résiduaires s'écoulant de haut en bas, comportant un concentrateur de boue qui en est une partie intégrante et un système d'aération supplémentaire pour le compartiment à boue activée la figure 2 est semblable à la figure 1, mais elle représente un milieu à couches multiples et comportant une grille d'aération supplémentaire dans la couche supérieure du milieu la figure 3 est semblable à la figure 2, mais elle comporte des couches multiples séparées la figure 4 est semblable aux figures 1 et 2, mais avec une couche filtrante non-aérée la figure 5 est semblable à la figure 4, mais avec des couches séparées la figure 6 est semblable à la figure 1, mais elle comprend une couche supérieure mobile la figure 7 est semblable à la figure 1, mais elle comprend une recirculation complète du milieu la figure 8 est semblable à la figure 7, mais elle comprend un milieu à recirculation non-aéré la figure 9 est semblable à la figure 6, mais elle comprend un autre agencement de pompe mammouth la figure 10 est semblable aux figures 1, 2, 3, 4 et 5 mais l'unité est divisée en petites cellules la figure 11 est semblable aux figures 1, 2, 3, 4 et 5, mais avec un mécanisme de raclage la figure 12 est semblable à la figure 9, mais elle comprend deux pompes mammouth à des hauteurs différentes. Sur toutes les figures, un même élément est désigné par une même référence numérique. En se référant à la figure 1, l'invention comprend un réservoir fermé ou ouvert 10 de forme quelconque, pouvant être constitué par n importe quelle matière appropriée, comportant un raccord d'entrée 11 qui est aussi une sortie de lavage à contre-courant 12 et un ajutage d'évacuation d'effluent 13 qui joue aussi le rôle d'ajutage d'entrée de lavage à contre-courant 14 et d'ajutage d'aspiration 15. Dans le réservoir se trouve un faux-fond filtrant 6 qui supporte un lit de filtration biologique aéré unique 17. La matière d'arrivée peut être distribuée par un tuyau ou une gouttière 18, ou par n'importe quels procédés appropriés. L'air nécessaire pour aérer le milieu et le laver à contre-courant est fourni par l'ajutage 19 sous le faux-fond 16. L'air qui aère le ABFB monte dans le compartiment à boue activée 20. L'air supplémentaire nécessaire pour aérer le compartiment à boue activée est fourni par un système de diffusion 21. La boue en excès qui se trouve dans le compartiment à boue activée 20 se rassemble dans une section de concentrateur 22 de laquelle elle est extraite par un ajutage 23. Le concentrateur 22 est également utilisé pour recueillir l'eau de lavage à contre-courant, lorsqu'on lave le filtre. Le mode d'exécution représenté sur la figure 2 diffère de celui qui est représenté sur la figure 1, en ce qu'il ne comporte pas de faux-fond 16, mais une grille collectrice d'effluent 24 et une grille de distribution d'air 25. En outre, il comporte plusieurs couches 26 de ABC3. Une arrivée d'air supplémentaire pour le traitement de la boue activée est assurée par une grille d'aération 27 se trouvant dans la partie supérieure de l'ABFB. Le mode d'exécution de la figure 3 ressemble à ceux des figures précédentes, mais les ABFB sont séparés par deux fauxfonds ou davantage. Chaque ABFB peut être constitué par un milieu unique 17 ou des milieux multiples 26. La figure 4 représente un agencement à couches multiples dans lequel la couche inférieure 28 est un lit de filtration biologique non-aéré. L'ajutage d'entrée 29 est utilisé pour fournir de l'air pendant la période de lavage à contre-courant. La figure 5 est analogue à la figure 4, mais les ABFB sont séparés par deux faux-fonds 16 ou davantage. La couche supérieure est aérée par une entrée 21, et la couche inférieure n'est pas aérée. La figure 6 représente un ABFB où la couche supérieure du milieu 30 se déplace continuellement, du fait de l'arrivée de nouveau milieu d'une chambre ouverte ou d'un puits central 31. Le sable arrive au puits central par une pompe mammouth 32 et il est soulevé d'une cavité 33. Lorsque le sable arrive au puits supérieur qui est agrandi, une source d'air supplémentaire 34 lave le sable. L'effluent de lavage à contre-courant est évacué en direction du compartiment à boue activée. La couche inférieure des milieux 17 et 26 est fixe et aérée, et elle peut être lavée à contre-courant, lorsqu'il le faut. La figure 7 représente une unité semblable à celle de la figure i, mais où l'ensemble du milieu recircule sous l'action d'une pompe mammouth 32 actionnée par de l'air 35 ou de l'air et de l'eau 36. La partie inférieure du milieu repose dans une section conique 37. Au-dessus de la section conique, l'ABFB demeure comme on l'a mentionné. Â la décharge de la pompe-mammouth, le sable est lavé. La couche supérieure est lavée à contre-courant lorsqu'il le faut par la grille 24 et la grille 25. La figure 8 représente un lit de filtration biologique nonaéré mobile dans lequel le sable recircule sous l'action d'une pompe mammouth 32 et est évacué dans une chambre ouverte ou un puits central 31. Un déflecteur 38 empêche le sable de passer de l'autre côté. L'unité centrale 39 peut être une auge ou simplement un cône central. L'effluent traité est rassemblé dans un compartiment central 40 perforé à sa surface supérieure, duquel il est déchargé par le raccord 13. Le compartiment à boue activée est aéré par un abstème de diffusion d'air 41. Une chicane 42 amorce l'évacuation du courant à la surface du filtre. La figure 9 est semblable à la figure 6, et elle représente un ABFB où la couche supérieure du milieu 30 recircule de façon continue en se dirigeant vers un tuyau de pompe mammouth 32 et est éjecté dans le compartiment à boue activée 20 où il se redépose sur le milieu. Cela a un effet de lavage à contre-courant de la couche supérieure du milieu. La couche inférieure des milieux 17, 26 et 28 est fixe et peut être lavée à contre-courant, lorsqu'il le faut. La figure 10 est analogue aux figures 1, 2, 3, 4 et 5, mais le compartiment du milieu principal est subdivisé en petites cellules par un diviseur 43, ce qui permet de laver à contrecourant séparément chaque cellule, sans avoir à laver l'ensemble. La figure Il est analogue aux figures 1, 2, 3, 4 et 5, mais les milieux 17, 26 et 28 sont raclés par un mécanisme à racle mécanique 44. Cette racle est également combinée avec une palette 45 qui joue le rôle d'écumoire de surface. La figure 12 est semblable à la figure 9, mais elle représente une pompe mammouth supplémentaire 45 fonctionnant à une profondeur différente de celle de la pompe 32. Dans tous les agencements ci-dessus, un système de pulvérisation est installé au-dessus des concentrateurs de boue, lorsqu'vil le faut. REVENDICATIONS 1. Procédé pour le traitement d'eaux résiduaires et de matières analogues, utilisant une zone de lit de filtration biologique contenant un milieu de filtration finement divisé, caractérisé en ce qu'on maintient une zone de boue activée en amont de la zone de lit de filtration biologique, on envoie les eaux résiduaires ou matières analogues à traiter dans la zone de boue activée, on aère à la fois la zone de lit de filtration biologique et la zone de boue activée, on retire l'effluent traité de la zone de lit de filtration biologique, et l'on lave à contre-courant la zone de lit de filtration biologique aussi souvent qu'il le faut pour conserver l'efficacité de fonctionnement de ladite zone de lit de filtration biologique ainsi qu'une chute de pression acceptable au point où l'on retire l'effluent traité. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on envoie les eaux résiduaires ou matières analogues dans la zone de lit de filtration biologique en amont de la zone de boue activée. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'on concentre la boue dans une zone de concentration de boue activée voisine avec la zone de boue activée et en communication avec elle, pour l'en retirer. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'on utilise un lit de filtration biologique à couches multiples. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'un lit de filtration biologique non-aéré se trouve juste au-dessous du lit de filtration biologique aéré. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le lit non-aéré est séparé par un faux-fond. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'on prévoit une alimentation en air supplémentaire du compartiment à boue activée. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'alimentation en air supplémentaire comprend une grille placée dans la couche supérieure du lit de filtration biologique. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'on introduit cycliquement l'air d'alimentation. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'on introduit l'air suivant des quantités variables. 11. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les moyens d'aération sont constitués par de l'oxygène. 12. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les moyens d'aération sont constitués par un mélange d'air et d'oxygène. 13. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les matières résiduaires traversent le système sous pression. 14. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est réalisé sous vide. 15. Dispositif pour le traitement d'eaux résiduaires et de matières analogues, comprenant une zone de lit de filtration biologique contenant un milieu filtrant finement divisé, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour maintenir une zone de boue activée en amont de la zone de lit de filtration biologique, des moyens pour envoyer des eaux résiduaires ou des matières analogues dans la zone de boue activée, des moyens pour aérer la zone de lit de filtration biologique et la zone de boue activée, des moyens pour retirer l'effluent traité de la zone de lit de filtration biologique, des moyens pour laver à contre-courant la zone de lit de filtration biologique, et des moyens pour retirer les produits de lavage à contre-courant en un point situé en amont de ladite zone de lit de filtration. 16. Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'un concentrateur de boue activée est associé fonctionnellement aux moyens pour maintenir une zone de boue activée. 17. Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce que le concentrateur de boue a un fond ouvert pour permettre une recirculation de la boue. 18. Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce que le milieu filtrant est divisé en cellules qui peuvent être lavées à contre-courant séparément. 19. Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comprend un mécanisme à racle pour racler le milieu filtrant.