Brevet FR2340278A1 — publié le 19770902

La présente invention concerne un procédé de purification du purin, riche en substances organiques, recueilli lors de l'élevage des bovinés dans des étables à grande surface. Dans les étables modernes à grande surface, dans lesquelles on pratique l'élevage des bovinés, on n'utilise guère de litières de paille et, dans bien des cas, on n'utilise plwdu tout de telles litières. Les excréments et urines des bêtes se mélangent. en fait avec les différentes eaux de ruissellement et avec l'eau utilisée pour le nettoyage, dans des canaux à fumier disposés audessous des étables. La concentration du purin ainsi formé dépend surtout de la quantité d'eau utilisée pour l'évacuation du fumier et, dans bien des cas, elle dépasse 2%. L'effet polluant de ce purin représente 50 à 100 fois celui des eaux résiduelles communales. Des purins présentant une concentration aussi élevée que celle indiquée ci-dessus ont été utilisés jusqu'à présent principalement comme liquide d'arrosage, dans le domaine de l'agriculture. Toutefois, on se heurte alors à de nombreuses difficultés et, par conséquent, on s'est penché, pendant les der nières années, sur le problème de la purification du purin recueilli dans les étables utilisées pour l'élevage des bovines. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique No. 3 745 113 décrit un procédé biologique de purification du purin contenant plus de 1% de substances organiques. Dans ce procédé, on obtient spontanément une température optimum de 400C pour les micro-organi-smes mésophiles et thermophiles, après un temps de séjour convenable. Ce procédé connu ne se prête qu'à la purification par plusieurs étapes biologiques des eaux d'une certaine qualité. Entre les différentes cuves ali mentées en air qui sont destinées à assurer la purification biologique, la boue est séparée de l'eau partiellement purifiée. Dans la publication Water Pollution Contrez (1971/19?4)j on résume les différents procédés de traitement du purin recueilli lors de l'élevage des animaux. On mentionne, entre autres, le traitement anaérobique du purin évacué des étables, traitement qui est effectue dans des cuves à boue pourvues de microorganismes, dans des lagons ou dans des fossés d'oxydation. L'eau évacuée est utilisée pour l'arrosage des champs agricoles. Selon les variantes décrites dans la publication précitée, l'eau évacuée de manière discontinue de la cuve anaérobique est soumise à un traitement de lavage aérobique. Dans certains cas, le système de canaux disposé au-dessous des étables constitue une fosse d'oxydation. Le système en question fonctionne comme un système à trop-plein, sans séparation de phases. Le temps de séjour requis peut être de plusieurs mois. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique No. 3 773 659 décrit un procédé de purification biologique d'eaux résiduelles à forte-teneur en substances organiques, dans lequel on utilise des enzymes d'origine bactêrielle qu'on introduit dans des conditions prédéterminées pendant le déroulement de l'étape biologique de purification. Les enzymes produits par un processus séparé sont éliminés du bouillon de fermentation après addition de substances chimiques coagulantes. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique No. 3 763 038 décrit un procédé de purification d'eaux résiduelles renfermant des substances organiques, qui comporte une combinaison de processus chimiques et de#processus biologiques. Dans une première étape, on utilise, comme substances chimiques coagulantes, des sels du fer trivalent ou des sels du fer bivalent associés à un agent d'oxydation, et en plus, éventuellement, du sulfate d'ammonium et de la chaux, la boue étant séparée de l'eau par décantation, après coagulation. Le cas échéant, une partie de la boue est recirculée. L'eau purifiée est amenée dans une installation de purification biologique alimentée en boue biologique et, en même temps, on ajoute de nouveau des agents de purification. Dans cette étape, on utilise, comme agents de purification, des sels de fer, qui peuvent être combinés, le cas échéant, avec un agent d'oxydation. L'eau purifiée est séparée de la boue par décantation. Les procédés connus mentionnés ci-dessus présentent les inconvénients suivants:1 - Les eaux purifiées biologiquement présentent un degré d'impureté relati vement élevé; en effet, la purification obtenue est insuffisante, et la qualité de l'eau purifiée ne correspond pas aux normes en vigueur dans le domaine du traitement et de l'utilisation des eaux. On ne peut obtenir de l'eau d'une pureté suffisante qu'à condition de procéder à une purifi cation biologique en plusieurs étapes - et cette méthode est très coûteuse. Par ailleurs, les procédés de purification biologique à une#seule étape deviennent très compliqués lorsqu'on prévoit une addition d'enzymes pré parés dans des conditions de stérilité; de plus, on constate que le coût de traitement des eaux augmente fortement lorsqu'on applique ce type de procédé. 2 - En raison de la forte teneur en substances organiques solides, la décom position biologique est très lente et, par conséquent, on doit prévoir, lors de la mise en oeuvre de ce genre de procédé, des temps de séjour très longs, ce qui entraine une forte augmentation des investissements et des frais d'exploitation. 3 - Les procédés complexes chimiques et biologiques ne se prêtent qu'à la pu rification des purins à teneur relativement faible en substances sèches. La présente invention a pour but de créer un nouveau procédé permettant d'éliminer les inconvénients des procédés connus, et qui puisse être appliqué aux différents systèmes d'élevage industriel des bovinés; le procédé visé par l'invention doit permettre, en outre, d'appliquer la règle qui prévaut dans le domaine de l'élevage moderne et selon laquelle le fumier doit être évacué des étables à l'aide d'une quantité minimum d'eau de rinçage. Le procédé selon l'invention a donné des résultats satisfaisants, dans la pratique, quel que soit le degré de pollution du purin à traiter; ce procédé s'avère déjà économiquement intéressant lorsque le purin provenant des étables présente une teneur en substances sèches d'environ 1,8%. L'invention a donc pour objet un procédé de purification du purin riche en substances organiques qui est recueilli dans les étables à grande surface utilisées pour l'élevage des bovinés. Le procédé selon l'invention est remarquable en ce qu'il consiste à: - maintenir en suspension et à traiter par barbotage d'air, dans une première étape, le purin, sans séparation de phases, tout en compensant les variations éventuelles quantitatives et qualitatives; - traiter ensuite ledit purin à l'aide d'agents coagulants, - séparer les phases solide et liquide au moyen de filtres-presses à bande; - purifier la phase liquide dans une installation de purification biologique des boues biologiques; -soumettre, après élimination des boues biologiques, l'eau filtrée et purifiée biologiquement à une purification supplémentaire par précipitation; - séparer le précipité ainsi obtenu de l'eau purifiée dans une installation de décantation;; - neutraliser cette eau et la séparer, dans une installation de décantation, du précipité qui se forme pendant l'étape de neutralisation. L'invention sera décrite ci-dessous de manière plus détaillée en référence à la figure unique annexée qui représente, à titre d'illustration, mais non pas de limitation, un mode de mise en oeuvre de l'invention. Le purin amené dans le poste de pompage 1 est refoulé par une pompe de broyage vers la cuve d'horogénéisation 2 où le purin est traité par barbotage d'air, mis en suspension et homogénéisé. On ajoute ensuite des agents de coagulation constitués par du sulfate d'aluminium et des polyélectrolytes anioniquement actifs. Le sulfate d'aluminium cristallin est dissout dans un récipient séparé de dissolution, et la solution est ajoutée, à partir du récipient de dosage 3, au moyen d'une pompe de dosage. Le polyélectrolyte anioniquement actif est dissout à l'aide d'une pompe par jet d'eau, dans de l'eau de ville sous une pression de 3 atm. abus.; la solution d'électrolyte est ajoutée à partir du récipient de dosage 4 au purin sortant de la cuve d'homogénéisation. La teneur en substances sèches du purin provenant des étables est de 1,8 8%. On ajoute 0,4 à 1,0 kg de sulfate d'aluminium et 25 à 50g de polyélectrolyte à chaque mètre cube de purin amené au filtre. Le purin sortant de la cuve d'homogénéisation est déshydraté sur le filtre-presse à bande 5, après addition des agents chimiques. La toile de filtration du filtre-presse est soumise à un lavage continu dans de l'eau soumise à une pression de 3 à 4 atm. abs. L'eau filtrée sortant du filtre-presse à bande 5 est purifiée dans la cuve à boue biologique 6 soumise à un barbotage d'air. L'air est introduit et la masse traitée est maintenue en suspension à l'aide d'un rotor à axe vertical. Le temps de séjour requis est de 20 à 30 heures, selon les paramètres de l'eau de filtration; on travaille avec une concentration de boue active de 6 à 10 g/l, et la boue est recirculée dans une proportion de 150 à 300%. La boue active est séparée dans la cuve de décantation 7 par gravité; une partie de la boue est recirculée à l'aide d'une pompe vers la cuve à boue 6 soumise à un barbotage d'air. Afin de soumettre l'eau filtrée et purifiée biologiquement à une purification chimique supplémentaire, on ajoute, à partir du récipient de dosage 8, de l'hydroxyde de calcium sous forme de lait de chaux dans une proportion telle que le pH se situe entre 10 et 11,5. Dans le récipient de mélange 9, la chaux est mélangée à l'eau purifiée biologiquement, et dans le floculateur 10, les substances organiques sont précipitées et agrégées. Les substances organiques précipitées sont séparées de l'eau purifiée, dans le récipient de décantation 11. Le pH de l'eau purifiée se situe entre 10,et.11,5. Cette valeur élevée du pH est neutralisée dans l'installation de neutralisation 12 par addition de C02 ou par un repos de 2 à 4 jours. La boue précipitée lors de la neutralisation est séparée de l'eau sortante dans le récipient de décantation 13. La boue séparée lors de la purification biologique, ainsi que les boues qui se forment lors du traitement chimique supplémentaire et de la neutralisation sont reconduites vers le poste de pompage 1. Le procédé selon l'invention est fondé sur les principes suivants: 1 - Le stockage du purin recueilli lors de l'élevage des bêtes pose souvent des problemes difficiles à résoudre, dans la plupart des exploitations intéressées. C'est pour cette raison qu'on a eu recours, de plus en plus souvent, durant les dernières années, à des méthodes d'évacuation du fu mier qui visent à diminuer les quantités de purin obtenu. Ceci entraîne forcément une augmentation de la concentration du purin. Dans les procédés connus de traitement du purin, les méthodes de traite ment mécanique et biologique ne peuvent être appliquées au purin à forte concentration qu'à condition que l'on prévoit des temps de séjour extrê mement longs; par ailleurs, l'eau sortant des installations de traitement connues présente toujours un degré de pollution élevé. Avant la séparation des phases solide et liquide, on a ajouté, jusqu'ici, des substances de traitement chimique constituées par le sulfate d'alu minium et un polyélectrolyte anioniquement actif. Des essais ont montré que, contrairement aux affirmations que l'on trouve dans les publications spécialisées, la quantité requise de substances chimiques utilisées dans la combinaison décrite ci-dessus n'augmente pas proportionnellement à la teneur en substances sèches du purin traité; au contraire, en raison de la teneur du purin en substances fibreuses, la quantité requise de sub stances chimiques et la teneur en eau de la boue pressée se trouvent for- tement diminuées.C'est pour cette raison que, dans les premières étapes du procédé de purification selon l'invention, on ne sépare pas ces sub stances fibreuses, bien qu'une telle séparation puisse être facilement opérée par des moyens mécaniques. 2 - Même après une purification biologique, la teneur en substances organiques en solution ou sous forme colloldale est encore très élevée Pour des rai sons relevant de la constitution de l'appareil digestif des bêtes et de la nature des fourrages utilisés, une proportion importante des substances organiques en question est constituée par des substances azotées albumi neuses. Par ailleurs, l'eau sortant de l'étape de purification biologique contient encore les produits résultant du métabolisme des micro-organismes, produits qui ne peuvent être décomposés biologiquement et qui sont recueil lis dans les eaux résiduelles. La manière la plus simple d'élimination de ces impuretés consiste à provo quer la coagulation des albumines, suivie d'une adsorption. Ce double but peut être atteint par une addition de chaux, à condition que l'on prévoit un temps de floculation d'au moins 25 mn, après addition de la chaux en tant qu'agent de coagulation. Etant donné que l'aptitude à l'utilisation ultérieure des eaux purifiées n'est pas seulement déterminée par leur teneur en impuretés, qui peut être mesurée par des méthodes chimiques mais, également, par leur teneur en micro-organismes (bactéries), on maintient, lors de la purification sup plementaire à l'aide de chaux, une valeur de pH (10-11,5) sensiblement plus élevée que celle qui suffirait pour assurer la coagulation des al bumines et, grâce au choix du temps de séjour indiqué ci-dessus, on fait en sorte que la teneur en germes de l'eau sortante se situe entre 102 et 103 germes/ml. Du point de vue de l'hygiène vétérinaire, cette eau sor tante peut également être utilisée, en partie, pour être reconduite, sous forme d'eau de rinçage, vers les étables, ce qui permet d'économiser d'importantes quantités d'eau fraîche.De plus, en raison de la faible teneur en micro-organismes, l'eau purifiée peut être utilisée, après neu tralisation, sans addition d'eau de dilution, pour l'arrosage des champs, ou bien elle peut être évacuée, le cas échéant, directement vers des cours d'eau naturels. Les principaux avantages du procédé selon l'invention peuvent se résumer comme suit: 1 - Le procédé de purification du purin, tel que défini par l'invention, per met d'éliminer les substances solides avec un minimum de dépenses en énergie et en produits chimiques, et la teneur en eau des substances so lides peut être abaissée à une valeur telle que lors du stockage sous forme de prismes, le processus naturel de transformation des matières intéressées en compost se déclenche tout seul, le compost ainsi obtenu étant sensiblement équivalent au fumier d'étable naturel. Grâce au faible degré de pollution de la phase liquide recueillie après la séparation de phases, il est possible, en procédant aux étapes de purification consécutives, d'obtenir une phase liquide qui ne renferme qu'une faible quantité de micro-organismes et qui peut être utilisée, sans addition d'eau de dilution, pour l'arrosage des champs, ou qui peut être évacuée vers des cours d'eau naturels. 2 - Contrairement aux procédés connus jusqu'à présent, le procédé selon l'in vention présente incontestablement l'avantage de produire, par la purifi cation du purin évacué des étables à l'aide d'une quantité d'eau minimum et renfermant une forte proportion de substances organiques (1,8 à 8qu), une eau dont la pureté correspond aux normes très strictes qui sont ac tuellement en vigueur dans le domaine de la purification et de l'utili sation des eaux. De plus, l'installation de purification utilisée pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention peut se composer des mêmes éléments techno logiques que ceux utilisés dans les installations de purification des eaux communales; en d'autres termes, il n'est pas nécessaire de fabri quer des installations spéciales, différentes de celles qui ont été utilisées couramment jusqu'à présent. 3 - La forte teneur du purin en substances organiques est abaissée, après purification biologique, à environ 2 à 5 de sa valeur initiale; toute fois,les-besoins en oxygène restent encore très élevés. Avant d'évacuer l'eau purifiée vers des cours d'eau naturels, on abaisse davantage la teneur en substances organiques par une purification chimique supplémen taire, et pendant cette étape, la phase liquide est en outre stérilisée sans que ceci entraîne des frais supplémentaires. 4 - Lors de la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, les différentes boues recueillies lors de la purification supplémentaire de la phase li quide après la séparation de la phase solide peuvent être recyclées vers la première étape du traitement; par conséquent, on n'obtient que deux produits finaux par le procédé décrit, à savoir l'eau purifiée et la boue pressée. On donnera ci-dessous un exemple concret de mise en oeuvre du procédé selon l'invention: Lors de la purification de 100 parties de purin de bovinés élevés en étable (composition: 25 à 30 g/l de KOI, 12 à 15 g/l de BOIs, teneur en substances sèches 25 à 30 g/l), on recycle 20 à 25 parties de boue obtenue pendant les étapes ultérieures du traitement de purification. Cette proportion de boue est ajoutée de manière continue aux 100 parties de purin; ensuite, on ajoute du Au2(504)3 dans la proportion de 0,4 à 1,0 kg/m3 et du polyêlectro- lyte anioniquement actif dans la proportion de 25 à 30 g/m3. Le purin ainsi traité est déshydraté sur un filtre-presse à bande. On obtient 20 à 25 parties de boue pressée présentant une teneur en substances sèches de 14 à 15%. L'eau filtrée obtenue lors de la filtration au moyen du filtre-presse, dont la quantité est d'environ 100 parties, présente les paramètres suivants: ~ KOI = 3,5 à 4 g/l ~ BOIs 1,6 à 2 g/l ~ teneur en substances suspendues = 1,5 à 2 g/l. Environ 15 à 17 parties de boue biologique (teneur en substances sèches 9 a 11 gil) provenant de la cuve de décantation dans laquelle la boue biologique est purifiée biologiquement, sont recyclées vers le purin. L'eau obtenue après purification biologique présente une teneur en' substances suspendues de 0,3 à 0,9 g/l, la quantité d'eau ainsi obtenue est de 83 a 85 parties et présente les paramètres suivants: ~ KOI = 0,7 à 0,9 g/l ~ BOl5 = 0,15 à 0,25 gjl. On ajoute à cette eau du Ca(OH)2 dans la proportion de 0,8 à 1,5 kg/m3. Après avoir séparé la boue qui se forme alors, dans un séparateur de phases, on obtient 5 à 7 parties de boue présentant une teneur en substances sèches de 30 à 50 g/l et 78 à 80 parties d'eau présentant les paramètres suivants: ~ KOI = 0,3 à 0,4 g/l ~ BOIs = 0,04 à 0,06 g/l ~ teneur en substances suspendues = 0,05 à 0,1 g/l ~ pH = 11 à 11,5. La boue est recyclée par incorporation au purin injecté de manière continue dans le-cycle de traitement, et l'eau effluente est neutralisée jusqu'à un pH de 8, par introduction de 0,15 à 0,2 kg/m3 de C02. La boue ainsi obtenue (0,5 à 1 partie) est séparée dans une installation de séparation par gravité, et ensuite recyclée vers le purin. L'eau effluente purifiée présente les paramètres suivants: ~ KOI = 0,3 à 0,4 g/l ~ BOIs = 0,04 à 0,06 g/l ~ teneur en substances suspendues = 0,05 à 0,1 g/l ~ pH = 7,5 à 8 ~ teneur totale en germes = 102 à 103 germes/ml-. L'eau peut être utilisée, sans limitation, pour l'arrosage, ou bien elle peut être déversée directement dans des cours d'eau naturels. Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés; elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées et sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1.- Procédé de purification de purin riche en substances organiques, recueilli dans des étables à grande surface utilisées pour l'élevage des bovinés, caractérisé en ce qu'il consiste à homogénéiser, dans une première étape de traitement, le purin, sans séparation de phases et dans des conditions aérobiques, à traiter ensuite le purin ainsi homogénéisé à l'aide de substances chimiques constituant des agents coagulants, à séparer à l'aide de filtrespresses a bande les phases liquide et solide, à purifier la phase liquide dans une installation de purification biologique à boue active, à soumettre l'eau filtrée purifiée biologiquement à une purification chimique supplémentaire après élimination de la boue active, à séparer de l'eau purifiée les substances organiques arecipitees, dans une installation de décantation, à neutraliser ensuite cette eau et à séparer dans une seconde installation de décantation cette eau purifiée du précipité qui s'est formé pendant le traitement de neutralisation. 2.- Procédé selon la revendication 1,caracterise en cequton utilise, avant la filtration a l'aide du filtre-presse à bande, un agent coagulant constitué par du sulfate d'aluminium et un électrolyte anioniquement actif. 3.- Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on utilise, pour chaque quantité de 1 m3 de purin amené vers le filtre, 0,4-1,0 kg de sulfate d'aluminium et 25-50g d'électrolyte anioniquement actif. 4.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on ajoute à l'eau filtrée purifiée biologiquement, lors de la purification chimique sup plémentaire de celle-ci, un agent de précipitation constitué par de la chaux, tout en ajustant le pH de cette eau purifiée à une valeur de 10-11,5, à l'aide dudit agent de coagulation. 5.- Procédé selon l'une des revendications 1 et 4, caractérisé en ce que, lors de la purification chimique supplémentaire, on maintient le pH à 10-11,5 pendant au moins 25 mn. 6.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on neutralise le pH élevé de l'eau recueillie après purification chimique supplémentaire en introduisant dans cette eau du CO2. 7.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on neutralise le pH élevé de l'eau recueillie après purification chimique supplémentaire en laissant reposer cette eau pendant une durée de 2 à 4 jours.