Brevet FR2164642A1 — publié le 19730803

L'invention due à SEIDEL Käthe, est relative à un procédé et à une installation pour l'épuration d'eaux usées, notamment d'eaux fortement chargées de détritus en utilisant des couches plantées de végétaux. On sait épurer à l'aide de plantes appropriées des eaux usées qui contiennent certains détritus qui peuvent servir de sources de nourriture aux plantes ou qui sont éliminés par des substances fournies par les plantes. Ces procédés biologiques mettant en oeuvre des plantes toutefois ne s'utilisent pas en général lorsqu'il s'agit de traiter des eaux usées très fortement chargées de substances polluantes hétérogènes. L'invention a donc pour but de fournir un procédé d'épuration d'eaux usées qui élimine les inconvénients des procédés connus mettant en oeuvre des plantes. Conformément à l'invention, ce problème est résolu par un procédé d'épuration d'eaux usées fortement souillées, notamment d'eaux usées contenant des substances en suspension et des substances polluantes huileuses, qui est caractérisé en ce que, dans une première phase, on fait sédimenter les substances en suspension grossières et flotter les matières de faible poids spécifique, qu'on prélève l'eau usée à un niveau situé entre la couche sédimentée et la surface supérieure et que, dans une seconde phase, on la filtre dans une couche de filtrage plantée de végétaux, cette couche de filtrage étant périodiquement séchée jusqu'à ce que la couche de boues filtrée soit sèche, et que, dans une troisième phase, l'eau usée filtrée est amenée à passer à travers l'espace occupé par les racines d'au moins une couche d'élimination plantée de végétaux susceptibles d'utiliser comme sources de nourriture les substances polluantes résiduelles. Le procédé conforme à l'invention permet d'une manière surprenante, d'épurer aussi des eaux usées, qui ne pouvaient être clarifées par aucun des procédés d'épuration connus jusqu'à présent. En particulier, ce procédé peut être utilisé avec des eaux usées mixtes qui contiennent de nombreuses substances en suspension, des substances fibreuses, des huiles et autres matières boueuses. La première phase du procédé conforme à l'invention est effectuée dans un bassin de décantation qui est agencé de telle manière que les boues lourdes sédimentées au fond du bassin et les substances polluantes flottantes, par exemple les substances bitumineuses et analogues, flottant à la surface puissent être extraites, alors qu'on prélève séparément pour son traitement ultérieur la couche intermédiaire, laquelle contient des substances polluantes en solution ou des matières en suspension finement particulaire. Le bassin de décantation présente de préférence une certaine pente, inclinée en sens contraire de la direction d'écoulement.Pour l'évacuation des substances polluantes flottantes le bassin de décantation comporte, d'une manière avantageuse, sur sa paroi d'extrémité une ou plusieurs échancrures pour que les substances polluantes flottantes puissent être évacuées par effet de trop-plein. D'autre part, le fond du bassin est muni d'une bonde pour l'extraction des boues lourdes. On obtient des résultats particulièrement bons lorsque le bassin de décantation comporte des parois transversales qui ne doivent pas aller tout-à-fait jusqu'au fond du bassin ni tout-àfait jusqu'à sa surface supérieure, pour permettre aux boues lourdes et aux souillures flottantes de s'écouler jusqu'à la paroi d'extrémité du bassin, pour quitter celui-ci. D'une manière avantageuse on prévoit au moins deux parois de séparation de ce genre. Dans-les parois de séparation sont disposés des passages appropriés, par exemple en forme de trous ou de fentes,qui assurent le libre passage et la répartition de l'eau. En outre, il est avantageux, lorsque des algues se développent dans le bassin de décantation, de disposer sur sa surface supérieure ou au-dessus de celle-ci une couche opaque à la lumière. De préférence cette couche est constituée de particules flottantes opaques, notamment des sphérules de matière synthétique. On peut toutefois prévoir aussi un recouvrement compact. La boue extraite du fond du bassin de décantation peut être éliminée de n'importe quelle manière ou éventuellement être utilisée comme humus, par exemple en la déposant sur des couches plantées de roseaux des marais. L'eau usée, pratiquement débarrassée de ses diverses boues au cours de la première phase du procédé, est filtrée, dans la seconde phase, à travers des couches de filtrage. Ces couches de filtrage sont plantées de végétaux qui possèdent un système de racines important, un système de pousses également important et dont les tiges portent des noeuds. Le système de racines important est nécessaire-pour maintenir perméable le matériau filtrant constitué par exemple par du gravier,du sable, des particules de charbon ou des matières analogues. Le système de pousses important est nécessaire pour évaporer une grande quantité d'eau.Les tiges doivent porter des noeuds afin que de ceux-ci, dès qu'ils sont atteints par la couche de boues superficielles de la couche de filtrage, partent des racines qui pénètrent dans la couche de boues et la "travaillent". Comme végétal il est particulièrement avantageux d'utiliser le roseau, mais on peut aussi utiliser d'autres plantes présentant les caractéristiques indiquées, par exemple le bambou et le roseau géant (Arundo donax). Conformément à l'invention il faut prévoir au moins deux telles couches de filtrage, disposéesen parallèle, auxquelles on amène alternativement l'eau usée. On laisse toujours sécher une couche de roseau de manière que la couche de matières en suspension déposée à la surface du matériau filtrant puisse sécher, se craqueler et se détacher avant qu'on amène une nouvelle eau usée. Le nombre des couches de filtrage disposées en parallèle dépend alors de la quantité d'eaux usées à traiter. De préférence la couche filtrante des bassins de filtrage est constituée par une couche inférieure à granulation grossière et par une couche supérieure à granulation fine. Comme couche inférieure, le gravier grossier convient particulièrement bien; on a obtenu des résultats particulièrement bons avec une granulométrie comprise entre I et 5 cm, de préférence entre 1,5 et 3 cm. Pour la couche supérieure, on a obtenu des bons résultats avec du sable d'une granulométrie de I à 5mm, de préférence de 2 à 3 mm, des granulométries indiquées sont choisies en fonction des substances en suspension à éliminer. L'épaisseur des diverses couches doit être choisie de manière à assurer l'élimination de toutes les substances en suspension. Les essais ont été effectués avec des épaisseurs de couches supérieures de 5 à 25 cm, et des épaisseurs de couches inférieures de 20 à 50 cm. Pour faciliter l'évacuation de l'eau filtrée des bassins de filtrage, il est avantageux de disposer un système de drainage dans le fond du bassin. Un tel système de drainage avantageux peut être constitué par exemple par un ou plusieurs tubes perforés. Pour empêcher le colmatage des trous du système de drainage, ces trous sont avantageusement recouverts d'un réseau, par exemple d'un treillis métallique. De préférence chaque bassin de filtrage comporte une évacuation réglable qui est disposée le plus bas possible. Dans la troisième phase du procédé conforme à l'invention, on utilise des couches d'élimination, qui présentent une certaine analogie avec les couches de filtrage de la seconde phase,dans lesqueXescependant le matériau granulaire de la couche est planté de végétaux qui peuvent utiliser les substances polluantes en dissolution comme nourriture. Pour constituer ces couches, les matériaux et les granulométries indiqués pour les couches de filtrage se sont révélés convenir. Il est particulièrement important, pour effectuer la troisième phase du procédé que l'eau usée circule à travers l'espace occupé par les rainures des plantes et arrive le moins possible au-dessus de la couche superficielle supérieure, par exemple la couche de sable.Dans ces conditions, il est possible d'amener toutes les substances polluantes en solution en contact avec les racines des plantes et d'assurer ainsi leur traitement. D'autre part, le développement d'algues se trouve ainsi évité et les résidus végétaux sont faciles à éliminer. D'autre part, de l'eau de pluie peut. encore être recueillie sans que le rendement de l'installation diminue. On a obtenu des résultats particulièrement bons lorsque la couche d'élimination est, en plus, aérée par en bas. Dans ces conditions, l'activité des bactéries dans la couche se trouve augmentée. L'aération est avantageusement réalisée par des systèmes de tubes ou des buses. Pour faciliter l'élimination complète des substances polluantes au cours de la- troisième phase du procédé, il est prévu, sur la surface d'extrémité du ou des bassins d'élimination des évacuations disposées à diverses hauteurs,lesquelles sont réglables. Pour pouvoir éliminer des substances polluantes dissoutes de diverses natures, il est avantageux de prévoir plusieurs bassins d'élimination qui sont disposés à la manière de cascades à la suite l'un de l'autre. On peut alors y faire pousser diverses plantes d'élimination pour pouvoir éliminer séparément diverses substances polluantes. Grâce à la disposition de plusieurs bassins d'élimination en cascades séparées, on obtient une séparation des biotopes qui créent de nouvelles biocénoses, dont l'ensemble contribue à améliorer l'élimination. Des plantes appropriées pour les couches d'élimination sont par exemple les Scirpus lacustris,Carex stricta, Iris pseudacorus, divers genres de Typha, Glyceria aquatica, Phragmites communis, Acorus calamus, le Spartanium erectum, Myosotis palustris, Mentha aquatica et les divers genres de Juncus. On a obtenu des résultats particulièrement bons avec le jonc à lier Scirpus lacustris. On peut adopter d'autres plantes avantageuses pour les couches d'élimination selon les substances polluantes à éliminer, pourcela il faut que les plantes choisies puissent utiliser comme sources de nourriture et par conséquent éliminer les substances polluantes considérées. Le procédé conforme à l'invention peut, dans le cas d'eaux usées contenant de fortes proportions de sel, être avantageusement combiné avec le procédé de "flux et reflux" décrit dans la demande de brevet allemand n0 P 21 29 660.6. Ce procédé est caractérisé par le fait que les plantes dans la région de leurs racines,sont alimentées par des eaux usées en quantités telles qu'il ne se produise encore pas de détérioration de ces plantes et aucune diminution de l'action d'épuration et qu'ensuite le courant d'arrivée des eaux usées est interrompu et que, dans la même direction, de l'eau non chargée est amenée en quantité et à une température suffisantes pour dissoudre les cristaux de sels éventuellement formés, et ce processus est répété périodiquement.Ce procédé peut être mis en oeuvre aussi bien avec les couches de filtrage de la seconde phase du procédé qu'avec les couches d'élimination de la troisième phase du procédé, ou avec les deux. Si les eaux usées à épurer contiennent des germes pathogènes il est avantageux d'utiliser dans la troisième phase du procédé, seules ou associées à d'autres plantes, des plantes à bulbes contenant des bactéries. Comme plantes de ce genre on utilise de préférence les divers genres d'Alnus. On obtient des résultats particulièrement bons pour l'élimination des germes pathogènes avec la combinaison des divers genres d'Alnus avec Mentha aquatica, Iris pseudacarus,ALsma- plantago, Juncus effusus, Scirpus lacustris ou/et le Phragmites communis. A cet égard, le procédé conforme à l'invention est combiné, dans ce cas, avec le procédé de la demande de brevet allemand n0 P 21 48 996.3. L'installation conforme à l'invention, pour la mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus, se compose d'au moins un bassin de décantation, de préférence avec une pente inclinée en sens contraire de la direction d'écoulement, lequel est agencé de manière à permettre l'extraction séparée de l'eau usée à la surface supérieure, au fond et dans la région intermédiaire, d'au moins deux couches de filtrage, disposées en parallèle à la suite du bassin de décantation, qui contiennent un matériau filtrant planté de végétaux et des tubes de drainages disposés sous le matériau filtrant, et d'au moins une couche d'élimination disposée, dans le sens d'écoulement, à la suite des couches de filtrage,laquelle contient un matériau granulaire planté de végétaux. Le bassin de décantation contient de préférence, des parois de séparation, disposées perpendiculairement par rapport à la direction d'écoulement et munies de passages, qui sont disposées en dessous de la surface supérieure des eaux usées et ne vont pas jusqu'au fond du bassin. On est assuré dans ces conditions qu'aussi bien les substances polluantes flottantes que les substances polluantes déposées peuvent franchir sans gêne les parois de séparation et que l'eau, à un niveau intermédiaire, est forcée de suivre un parcours rallongé, de sorte qutaussi bien la sédimentation de boues que la flottaison des souillures se trouvent facilitées. L'installation conforme à l'invention peut aussi comporter plus d'un bassin de sédimentation. Les couches de filtrage disposées, dans la direction de l'écoulement, à la suite du bassin de décantation comportent, d'une manière avantageuse, une couche inférieure de gravier ou d'un autre matériau analogue, par exemple de charbon, de coke ou de sco- ries, d'une granulométrie de 1 à 5 cm, de préférence de 1,5 à 3 cm, et une couche supérieure de sable ou d'un autre matériau inerte de propriétés comparables, d'une granulométrie de 1 à 5 mm, de préférence de 2 à 3 mm. La granulométrie de la couche supérieure est alors choisie en fonction des substances en suspension à filtrer et doit,d'une part, être suffisamment fine pour retenir essentiellement la totalité des fines particules de substances en suspension, mais,d'autre part,ne pas se colmater. En général, on est donc amené à prendre une couche supérieure, de fine granulométrie, relativement mince, par exemple de 2 à 10 cm, et une couche inférieure, relativement grossière, de plus grande épaisseur, par exemple de 20 à 50 cm. Ainsi qu'on l'a déjà mentionné cidessus, on dispose en parallèle au moins deux couches de filtrage. Mais on peut évidemment tout aussi bien, disposer en parallèle plus de deux couches de filtrage, lorsque la quantité d'eaux usées à laquelle on a affaire rend cette mesure judicieuse. La couche d'élimination comporte, d'une manière avantageuse, plusieurs évacuations disposées à différentes hauteurs à l'extrémité de la couche et susceptibles d'être fermées en vue de ré gler le passage des eaux usées. Une possibilité de réglage de ce genre facilite le maintien d'un niveau d'eaux usées qui normalement ne dépasse pas la surface supérieure de la couche, de manière que pratiquement la totalité des eaux usées circule à travers la région des racines des plantes. En général plusieurs couches d'élimination sont disposées à la suite l'une de l'autre à la manière d'une cascade. Les diverses couches d'élimination peuvent alors être plantées avec des végétaux identiques ou différents. L'invention est expliquée ci-après à l'aide d'un de ses modes de réalisation, pris à titre illustratif mais nullement limitatif, en se référant au dessin annexé qui représente schématiquement une installation d'épuration d'eaux usées conforme à l'invention, Une eau usée mixte, contenant en particulier des eaux usées de blanchisserie et d'imprimerie et présentant de très nombreuses substances en suspension, substances fibreuses, huiles et boues, a été épurée, à l'aide de l'installation représentée sur la figure, de la manière suivante. L'eau usée a été tout d'abord amenée à un bassin de décantation 1, d'une longueur de 5 m, d'une largeur de 1 m et d'une pro-fondeur de 50 cm environ. Ce bassin de décantation présentait une pente inclinée en sens contraire de la direction d'écoulement. Il comportait sur sa paroi d'extrémité une échancrure pour le déversement par effet de trop-plein des boues huileuses et de l'excès d'eaux usées et, dans son fond, une bonde pour l'évacuation des boues lourdes. Pour assurer une décantation aussi bonne que possible et séparer ainsi la couche supérieure de boues huileuses, la couche inférieure de boues lourdes et l'eau usée intermédiaire, à traiter ultérieurement, le bassin était subdivisé en trois compartiments par deux parois de séparation suspendues. Ces parois de séparation n'allaient pas tout à fait jusqu'au fond du bassin et pas tout à fait-jusqu'à la surface supérieure de l'eau et comportaient des fentes pour permettre le libre passage de l'eau et sa répartition. Du bassin de décantation,les boues sédimentées étaient extraites et déposées sur des couches spéciales,plantées de roseaux des marais, et utilisées comme humus. L'eau usée, pratiquement débarrassée des diverses boues,a été alors soutirée du bassin de décantation, à mi-hauteur, et amenée alternativement chaque jour sur les couches de filtrage 2a et 2b. Les bassins de filtration avaient également une longueur de 5 m, une largeur de 1 m et une profondeur d'environ 50 cm. Les couches étaient constituées d'une couche inférieure de gravier d'une granulométrie de 1,5 à 3 cm et d'une épaisseur de 25 cm et d'une couche supérieure de sable d'une granulométrie de 2 à 3mm et d'une épaisseur de 20 cm. La couche était plantée de roseaux. Dans le fond de la couche de filtrage était posé un tube de drainage d'environ 12 à 15 cm de diamètre qui présentait une série de trous et était entouré sur toute sa longueur d'un fin réseau de treillis métallique.Son évacuation se trouvait sur la surface d'extrémité du bassin, à l'emplacement b plus bas, et comportait une bonde réglable. Une canalisation allait de cette évacuation au bassin d'élimination qui suivait. Les deux bassins de filtrage 2a et 2b étaient alimentées alternativement en eau usée chaque jour de manière que le bassin de filtrage qui était fermé, se séchait. La couche de substances en suspension déposée sur la surface supérieure du sable formait des craquelures, avant qu'on introduise à nouveau de l'eau usée, et commençait à se désagréger et à se détacher. Une fois ce stade atteint, la seconde couche, disposée en parallèle, était mise à sécher et l'eau usée issue du bassin de décantation 1 était introduite dans la couche qui était séche. L'eau évacuée alternativement des deux couches 2a et 2b était amenée successivement dans les trois couches d'élimination 3,4 et 5, montées à la suite l'une de l'autre, à la manière de cascades. Les couches d'élimination présentaient également une longueur de 5 m, une largeur de 1 m et une profondeur d'environ 50 cm. Elles étaient garnies d'une couche inférieure de gravier de la même granulométrie que les bassins de filtrage 2a et 2b et d'une couche de sable de 25 cm#qui également présentait une granulométrie de 1 à 3 mm. Les couches d'élimination étaient plantées de divers genres de Typhas et de Juncus. Dans les couches d'élimination l'eau était amenée à circuler dans l'espace occupé par les racines, en veillant bien à ce que le niveau de l'eau dépasse le moins possible la couche de sable.Dans ces conditions on évitait la formation d'algues. Les résidus de plantes étaient éliminés et le bassin pouvait en plus recevoir de l'eau de pluie. L'évacuation de chacun des bassins d'élimination compor tait trois bondes disposées à diverses hauteurs, 6a, 6b et 6c, 7a, 7b, et 7c et 8a, Sb et 8c qui permettaient de régler le niveau de l'eau dans chaque bassin d'élimination. Les bassins de filtration et d'élimination étaient disposés en série. Contre le trop grand froid et contre les autres influences atmosphériques on avait prévu des dispositifs de recouvrement, du genre de ceux utilisés pour recouvrir les serres, qui étaient formés d'arceaux en forme de tunnel sur lesquels étaient tendues des feuilles de matière synthétique et que l'on plaçait au-dessus des bassins en cas de besoin. Après avoir parcouru le bassin d'élimination 5, l'eau obtenue présentait un degré de pureté qui correspondait à celui des canalisations de distribution d'eau initiale, polluée ensuite dans les entreprises. Dans ces conditions cette eau pouvait soit être simplement rejetée dans le système d'égouts usuel soit être renvoyée aux entreprises pour être remise en circuit. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. -REVENDICATIONS 1.- Procédé pour l'épuration d'eaux usées fortement polluées, notamment d'eaux usées contenant des substances en suspension et des substances polluantes huileuses, caractérisé en ce que, dans une première phase, on fait sédimenter les substances en suspension grossières et flotter les matières de faibles poids spécifiques, qu'on prélève l'eau usée à un niveau situé entre la couche sédimentée et la surface supérieure et que, dans une seconde phase, on la filtre dans une couche de filtrage plantée de végétaux, cette couche de filtrage étant périodiquement séchée jusqu'à ce que la couche de boues filtrée soit sèche, et que, dans une troisième phase, l'eau usée filtrée est amenée à passer à travers l'espace occupé par les racines d'au moins une couche d'élimination plantée de végétaux susceptibles d'utiliser comme sources de nourriture les substances polluantes résiduelles. 2.- Procédé selon la revendication 1,caractérisé en ce que la première phase du procédé est effectuée dans au moins un bassin de décantation, lequel présente une pente, inclinée en sens contraire de la direction d'écoulement de l'eau usée, et duquel les substances en suspension sédimentées sont extraites au fond et les substances flottantes à la surface. 3.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la seconde phase est effectuée dans au moins deux couches de filtrage montées en parallèle et que l'eau usée extraite de la première phase yestamenée alternativement et qu' après avoir parcouru la couche de filtrage elle est extraite du fond de cette couche. 4.- Procédé selon l'une quelconque dessrevendications 1 à 3, caractérisé en ce que dans la troisième phase l'eau usée est amenée à traverser la couche d'élimination, de telle manière qu'elle ne parcourt que l'espace, occupé par les racines, situé en dessous de la surface supérieure de la couche. 5.- Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la couche d'élimination est aérée par en dessous. 6. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on utilise un bassin de décantation qui comporte des parois de séparation, munies de passage, lesquelles sont disposées en dessous de la surface supérieure de l'eau usée et ne vont pas jusqu'au fond du bassin. 7.- Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'on utilise des couches de filtrage qui sont plantées de végétaux qui présentent un système de racines important, un système de pousses également important et dont les tiges portent des noeuds. 8.- Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que, comme plante, on utilise le roseau. 9.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que les plantes sont amenées à pousser sur un matériau filtrant finement particulaire, dont la couche inférieure est de forte granulométrie et dont la couche inférieure est de fine granulométrie. 10.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que la couche supérieure est constituée par un sable fin d'une granulométrie de 1 à 5 mm et la couche inférieure d'un gravier d'une granulométrie de I à 5 cm. 11.- Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'on utilise plusieurs couches d'élimination disposées à la suite l'une de l'autre à la manière de cascades. 12.- Installation, pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle se compose d'au moins un bassin de décantation, de préférence avec une pente inclinée en sens contraire de la direction d'écoulement, lequel est agencé de manière à permettre l'extraction séparée de l'eau usée à la surface supérieure, au fond et dans la région intermédiaire, d'au moins deux couches de filtrage disposées en parallèle à la suite du bassin de décantation, qui contiennent un matériau filtrant planté de végétaux et des tubes de drainage disposés sous le matériau filtrant, et d'au moins une couche d'élimination disposée, dans le sens d'écoulement, à la suite des couches de filtrage, laquelle contient un matériau granulaire planté de végétaux. 13.- Installation selon la revendication 12,caractérisé en ce que le bassin de décantation contient des parois de séparation, disposées transversalement par rapport à la direction d'écoulement et munies de passage,lesquelles sont disposées en dessous de la surface supérieure de l'eau usée et ne vont pas jusqu'au fond du bassin. 14.- Installation selon l'une quelconque des revendications 12 et 13, caractérisée en ce que le bassin de décantation comporte une couche opaque à la lumière, disposée à la surface supérieu re de l'eau usée ou au-dessus de celle-ci. 15.- Installation selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisée en ce que les couches de filtrage comportent une couche inférieure de gravier d'une granulométrie de 1 à 5 cm, de préférence de 1,5 à 3 cm, et une couche supérieure de sable, d'une granulométrie de 1 à 5 mm, de préférence de 2 à 3 mm. 16.- Installation selon l'une quelconque des revendications 12 à 15, caractérisée en ce que la couche d'élimination comporte des évacuations disposées à diverses hauteurs à l'extrémité de la couche et susceptibles d'être fermées pour régler le passage de l'eau usée. 17.- Installation selon l'une quelconque des revendications 12 à 16, caractérisée en ce que plusieurs couches d'élimination sont disposées à la suite l'une de l'autre, à la manière de cascades.