Brevet FR2331515A1 — publié le 19770610

La prèsente invention concerne les supports de lits bactèriens pour épurer les eaux résiduaires domestiques et industrielles à l'aide de charbon d'origine végétale qui prèsente une faible densité apparente et ayant un grand pouvoir hydrophile. Dans les procédés connus et qui opèrent en régime dlaérobiose et appliqués sur une large échelle, notamment le procédé dit par boues activées, une bonne surveillance est nécessaire pour maintenir un quotient constant entre le poids de la DBO à détruire et la quantité de boues activées utilisées pour effectuer le travail d'épuration. Cette méthode, commed'ailleurs celle des lits bactériens fixes exploités en aérobiose ont l'inconvénient de p roduire d'abondantes boues, lesquelles dans le cas des boues activées ne contiennent souvent que 0, 5% seulement en matières sèches. Leur conditionnement en vue de leur élimination comme produit fertilisant ou masse mise à charge ou destinée à l'incinéation nécessite des opérations complexes et de ce fait onéreuses. On a reconnu depuis longtemps que la destruction des matières organiques prèsentes dans 1 s eaux usées au moyen de processus anaérobiques permettait d'obtenir des résidus moindres et parfaitement stabilisés en vue de leur décharge. L'inconvénient des procédés anaérobiques consiste dans le déga gement de gaz résiduaires malodorants ou dangereux tels que le méthane. Le procédé objet de l'invention prèsente permet l'application de l'anaérobiose sans production de nuisances ou création de dangers pour ltenviron- nement. Monsieur René-Rodoîphe SEILER a pris un premier brevet portant sur un procédé d'élimination des phosphates prèsents dans les eaux usées domestiques et reposant sur les propriétés particulières des sels solubles de zinc en condition d'amphotérie créée par l'adjonction de sels solubles de bore. Contrairement aux sels solubles de fer ou d'aluminium qui doivent etre ajoutés en excès, en milieu amphotère, le zinc prècipite les phosphates de façon stoechiomètrique. il se forme dans l'eau sous traitement un voile très tenu des phosphates de zinc hydratés contenaht également du bore et des matières organique s. Ces miscelles complexes ne se décantent que très lentement, aussi pour rendre le procédé techniquement valable fallut-il recourir à une filtration. Tous les matériaux qui furent utilisés et dont l'utilisation pouvait être rentable se révèlèrent incapables de retenir intégra lement les miscelles complexes décrites ci-dessus.Monsieur René-Rodoîphe SEILER après avoir expérimenté de nombreux charbons actifs du commerce créa un charbon nouveau obtenu par pyrolyse de sciures rèsineuses et activation partielle vers 700 C. La seule ombre au tableau est que l'utilisation des floculants mentionnés doit rester, pour être agissante mais aussi économique, proportionnelle au débit et aussi à la quantité des phosphates à éliminer. C'est pourquoi l'usage de ce procédé restera très certainement limité à des stations importantes disposant d'un personnel qualifié. Le nouveau procédé objet de l'invention permet de réaliser à la fois la dégradation anaérobique des produits organiques contenus dans les eaux résiduaires et l'élimination des composantes minérales contenant du phosphore et de l'azote. Par la création d'un type nouveau de charbon d'origine végétale, la prèsente invention rend possible l'épuration de nombreuses eaux résiduaires (domestiques, eaux résiduaires des industries alimentaires, des féculeries, des abattoirs, etc) sans avoir recours à des dosages compliqués de floculants, tout au plus pour faciliter l'application du nouveau procédé l'usage occasionnelde polymères ionoactifs dont le dosage à raison de 0, 5 pour million s'est révélé suffisant méme pour des eaux très chargées en DBO. N'ayant pas à recourir à des sels minéraux hydrosolubles, tels des chlorures ou sulfates, le procédé ne modifie pas le bilan de la salinité des eaux qui peuvent devenir corrosives pour les ouvrages en béton, surtout lorsque la teneur en sulfates dépasse 500 ppm. Le charbon obtenu selon l'invention permet de produire s des effluents limpides et inodores avec une productions de boues résiduaires réduite d'au moins 80% par rapport aux quantités produites en aérobiose. Les lits bactériens qui s'installent très rapidement dans le charbon obtenu selon le procédé objet de l'invention ne consistent pas seulement en souches bactériennes de petite dimension, mais aussi de colonies bactèriennes de taille plus importante, par exemple des B. subtilis, lesquelles ont des besoins en sels minéraux assez considérables pour assurer les équilibres biochimiques dans leur protoplasme. De ce fait, il est possible d'obtenir une élimination du phosphore et de l'azote contenue soit comme combinaisons minérales ou sous forme organique sans avoir à utiliser des floculants spècifiques. Pour réaliser un procédé commode de fabrication du charbon très poreux à une température aussi basse que possible, on procède en un premier temps au défibrage du bois destiné à être carbonisé. On réalise des rubans plats ayant quelques millimètres de large, quelques centièmes de millimètre d'épaisseur et en-viron 50 à 100 cm de longueur. Ces fibres sont tassées à l'état d'une masse dont un mètre cube pèse entre 50 à 70 Kgs selon les dimensions choisies pour la fibre. Le procédé utilise de préférence des bois résineux, mais est également applicable aux variétés tendres de bois feuillus. Les variétés de bois contiennent des canaux de sève et pour les rèsineux de rèsine dont les dimensions permettent la nidation de colonies bactèriennes de taille supérieure. Avant sa carbonisation, la masse de fibres est imprégnée d'une solution d'acide sulfurique à 20/25% dans laquelle se trouve émulsifiée une huile polyinsaturée par exemple de l'huile de palme ou de lin. L'agent émulgateur est un détergent ABS/ (dérivé du tétrapropylènebenzène sulfonate de sodium ou du type cycloocthylbensènesulfonique) ou un détergent non ionique, par exemple un polyalkylphènol éthérifié.Ce mélange chimique permet de réaliser d'abord la fluidification des rèsines contenues dans les bois rèsineux, on évite ainsi un goudronnage à l'intérieur du charbon lequel pour en être purifié devrait être porté à une température d'au moins 400qu et subir de ce fait une activation partielle avec ovalisation, parfois même l'aplatissement des canaux de sève et de rèsine, ce qui rendrait impossible la nidation des gros germes bactériens.L'huile insaturée rend possible un important départ de l'oxygène constitutif du bois, les travaux d'auteurs belges (Chimie et Industrie Vol. 69, NQ 2, 1953) l'ont révélé? Cependant ce départ a lieu à des températures de l'ordre de 3000C alors que la prèsence d'acide sulfurique provoque cette réaction dès le seuil de 150 C. Ce départ d'oxygène permet une carbonisation qui devient exothermique sans toutefois dépasser 350qu. De ce fait le bois qui se transforme très vite en charbon ne subit pas les contractions et défor- mations qui ont lieu dans la pyrolyse conventionnelle à 400qu et plus. Ce charbon obtenu ne contient que des micropores d'une dimension de 5 à 7 Ang. et qui n'ont pas les propriétés des portes actives beaucoup plus grandes des charbons actifs du commerce. En pratique, on prèpare un mélange constitué par 21 #gs d'acide sulfurique dilué dans 80 Kgs d'eau. On ajoute une mélange d'une huile insaturée ou de son acide correspondant et d'un détergent comme cité plus haut. Si l'on ajoute à 100 Kgs d'acide sulfurique dilué 12 Kgs d'huile contenant 2 à 3 % de détergent on obtient un mélange suffisant pour imprégner 300 Kgs de bois (calculé comme poids sec) défibré. L'imprégnation s'opère par vaporisation du mélange sur les deux faces du ruban de fibre. La masse de fibré est introduite dans un four étanche et portée jusqu'à une température de 240cl, moment auqel la réaction exothermique se produit.La température s'élève jusqu'à 350 0C et la pyrolyse s'achève d'elle-même. Lorsque le charbon produit s'est refroidi, on obtient une masse constituée de fibres carbonisées parfaitement conservées et qui n'ont subi qu'un raccourcissement de leur longueur initiale. Selon qu'on utilise cette masse à l'état plus ou moins compacté ou concassé, on obtient des lits filtrants plus ou moins serrés. Si l'on utilise une masse de fibres carbonisés de 85 à 90 kg au mètre cube pn obtient une masse très poreuse qui permet de clarifier les eaux usées au moyen d'une percolation dans le sens vertical de bas en haut. Simultanément il se forme dans la masse de fibres de charbon des lits bactériens qui réduisent déjà d'environ 20 à 25% la teneur en DBO soluble. Par ce procédé de percolation à une vitesse ascenscionnelle de 75 à 200 cm à l'heure (selon la quantité de matières en suspension prèsentes dans l'eau à épurer) on obtient un effet de purification des eaux usées domestiques conventionnelles de l'ordre de 67 à 70%. L'eau sous traitement est ensuite passée dans un deuxième filtre contenant des fibres de bois concassées à un point choisi caractérisé par le fait que le charbon doit prèsenter une densité apparente de l'ordre de 135 Kg/M3 ; pour des filtrations très fines il y a lieu d'augmenter la densité apparente et de la porter à 170/180 kg/M3. Lors de chaque passage de l'eau à épurer à travers ce second filtre biologique l'eau subit une diminuation de la DBO soluble de 63% en moyenne avec réduction simultanée du taux en phosphore et azote de l'ordre de 70 à 75%. Cette réduction s'opère en utilisant fes vitesses de filtration comprises entre 4 et - 6 m/h et son champ d'application va jusqu'à des DBO de 3000 ppm. Après 4 à 5 recyclages on atteint le palier auquel ne restent dans l'eau sous traitement que des produits indégradables, principalement des produits d' origine protéique. Les hydrates de carbone par contre sont totalement éliminés. Les produits azotés résiduaires peuvent etre facilement rendus floculables par injection d'ozone pour leur confèrer un potentiel zéta et floculation au moyen d'un polymère ionoactif. Dans les eaux usées domestiques le taux d'épuration de 96% est couram ment atteint. Dans les eaux résiduaires des industries transformant la pomme de terre ou les eaux usées des abattoirs du fait de la p rèsence d'une masse protéique importante le taux d'épuration se situe vers 90 à 93%. Le taux d'élimination du phosphore minéral et organique se situe vers 92 % mais peut s'élever jusqu'à 98/99% par exemple dans l'épuration des eaux des bassins d'élevage de saumons. Le charbon obtenu selon le procédé objet de l'invention prèsente l'avantage technique important que les lits bactèriens rapidement formés peuvent subir des pèriodes d'hibernation même très longues et repartir en quelques heures. L'invention permet donc d'exploiter une station d'épuration capable de travailler à la demande. Du fait des quantièmes minimes de boues déjà digérées produites par les lits bactèriens anaérobiques le procédé revêt un intérêt économique incontestable. REVENDICATIONS 1) Procédé permettant la fabrication de charbon poreux et hydrophile comme support de lits bactériens pour épurer les eaux résiduaires domestiques et industrielles caractérisé en ce que l'on défibre le bois destiné à la carbonisation à l'état de rubans longs de 50 à 100 cm et larges de quelques millimètres et ayant une épaisseur de 0,1 à 0, 5 mm ; ces derniers sont imprégnés par vaporisation sur leurs faces d'un liquide contenant de l'eau, de 1' acide sulfurique et une huile insaturée ou son acide libre correspondant ajouté d'un à deux pour cent d'un détergent émulgateur du type ABS ou d'un polyaîkylphénol éthérifié, ledit mélange devant comporter en poids pour l'acide sulfurique le 6 à 7% du poids du bois, pour l'huile le 3 à 6% du poids du bois (calculé poids réel anhydre), les rubans ainsi imprégnés comprimés en une masse pesant 50 à 60 kgs (poids du bois) au mètre cube et porté dans un four étanche à une température de 2400C et mis ainsi en état de pyrolyse exothermique, le procédé de carbonisation entraide seulement une conyractiai de la fibre de bois dans le sens longitudinal évitant ainsi I'ovalisation ou l'aplatissement des canaux de sève ou de rèsines dans le cas des bois résineux, ces rubans de fibre carbonisée étant ensuite écrasées ou concassées selon que lesdits rubans carbonisés sont utilisés pour la rétention des matières suspendues dans les eaux usées ou pour détruire la DBO prèsente dans les eaux résiduaires. 2) Procédé permettant la fabrication de charbon poreux et hydrophile caractérisé en ce que lorsque l'on choisit une variété de pin comme matière première du fait de la prèsence d'un émulgateur dans le liquide d'imprégnation on obtient une fluidification des rèsines contenues dans les canaux spécifiques permettant une rapide gazéification des rèsines lesquelles ne forment ni goudrons ou rèsidus à l'intérieur du charbon après pyrolyse et rendent possible la production d'un pyroligneux pratiquement exempt de goudrons. 3) Procédé permettant la fabrication de charbon poreux et hydrophile caractérisé en ce que les bactèries de dimensions supérieures à celles normalement prèsentes dans les eaux usées résiduaires et qui par leur taille ressemblent au genre B subtilis peuvent s'implanter dans les canaux de sève ou de rèsine créant d'importantes réductions des taux en phosphore et en azote contenus dans les eaux usées domestiques ou autres eaux usées riches en composés protéiques, telles les eaux usées d'abfiattoirs, de féculerie ou de transformation de la pomme de terre, les colonies bactériennes anaérobiques formées à l'intérieur du charbon obtenu selon le procédé pouvant épurer de façon constante à chaque passage de l'eau sur le charbon la DBO de 63% et éliminer à raison de 75-80% la teneur en phosphore dégradable et en azote amoniacal. 4) Procédé permettant la fabrication de charbon poreux et hydrophile caractérisé en ce que les rubans de 50 cm à lm imprégnés des divers constituants sont soumis à une pénétration thermique de la chaleur donnée au four de pyrolyse lequel ne subit pas des températures supérieures à 350 ex (en cours de la pyrolyse qui est exothermique). 5") Procédé permettant la fabrication de charbon poreux et hydrophile caractérisé en ce que la masse des fibres carbonisées sert de matière de préfiltration sous forme de surface de dépôt des particules fines contenues dans les eaux usées domestiques qui sont préalablement dégrillées puis défibrées, l'eau traverse de bas en haut un lit filtrant de charbon long et poreux à une vitesse ascensionnelle faible de 2 à 3 m heure selon l'état de charge en matières décantables prèsentes dans l'eau résiduaire ensuite l'eau passe sur des charbons poreux concassés à des vitesses de filtration de 4 à 6 m heure.