Brevet FR2362791A1 — publié le 19780324

La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour purifier liteau par élimination des micro-organismes qui permettent d'éliminer et de rendre inoffensifs des microorganismes inférieurs à 10 microns aussi bien que des micrQ- organismes plus grands compris, en particulier, dans l'intervalle de 10-100 microns. L'invention consiste à utiliser à cet effet une substance filtrante de type inerte, de préférence une substance fibreuse inorganique, par exemple la laine de verre et, en particulier une laine dite de roche, la laine minérale, la laine de scorie ou des substances laineuses minérales analogues. La substance filtrante est de préférence préparée par formation des fibres à partir d'une masse fondue, par exemple, en versant la masse fondue sur un disque rotatif ou un dispositif analogue. La substance fibreuse doit comprendre une partie considérable et, de préférence, prépondérante, s'élevant, en particulier, jusqu'à au moins 90 % de fibres de diamètre inférieur à 15 microns. Un diamètre de fibre convenable est d'environ 1-5 microns. D'une manière convenable, au moins 90 % de la longueur totale de fibre présente un diamètre compris dans ledit intervalle. Une longueur de fibre moyenne convenable s'élève jusqu'à environ 10 mm, de préférence 1-5 mm, par exemple de l'ordre de 1,5-2,5 mm, mais on peut egalement utiliser des fibres plus courtes ou plus longues. Les fibres doi#e#t' être principalement dispp###st statistiquement dans'* 's trois directions, c'est-à-dire dans 1' espace. Au maximum 20 %, de préférence au maximum 10 % et, tout particulièrement, au-maximum 5 % du volume des fibres doit être occupé par la substance fibreuse, le reste du volume étant constitué par un espace vide entre les fibres et, éventuellement par quelque autre constituant tel qu'un liant ou une substance analogue, en une quantité qui ne soit pas supérieure, de préférence, au volume de la matière solide des fibres. De préférence, on utilise une teneur en liant inférieure à 5-10 %, par exemple de l'ordre de 1-2 %. Les fibres sont de préférence disposées statistiquement et principalement sans liant pour la liaison mutuelle des fibres séparées On peut toutefois également utiliser un tel liant, à condition qu'il ne diminue pas sensiblement l'efficacité de la substance filtrante pour la purification de l'eau. La teneur convenable des fibres en matières solides est d'environ 3 % en volume. La substance fibreuse doit également être complètement mouillable par l'eau et doit conserver sa forme initiale lorsqu'elle est saturée ou imbibée d'eau. On utilise de préférence une substance fibreuse qui présente dans le liquide traité, un potentiel Z essentiellement égal à 0 ou légèrement négatif, c'est-à-dire ayant une légère activité cationique, de préférence au maximum de -50 mV. Une substance fibreuse convenable est une laine dite laine de roche, laine minérale ou laine de scorie ou une substance analogue, de préférence une substance préparée à partir de minéraux de roche, tels que la diabase et la pierre à chaux. Un rapport en poids convenable des minéraux, en particulier entre la diabase et la~pierre à chaux est d'environ 80/20. En outre, on utilise normalement du coke dans la préparation de la masse fondue à partir de laquelle on prépare à leur tour les fibres. Une composition convenable de la substance filtrante est la suivante SiO2 40 - 60 % A12 3 10 - 20 % CaO 10 - 20 % MgO 5 - 15 % Le restant des autres oxydes de métaux est constitué par des oxydes tels que FeO, Na2O, TiO2, MnO, K2O. Un exemple de composition est à cet égard-le suivant SiO2 47 % A12 3 14 % CaO 16 % MgO 10 % FeO 8 % Na2O 2 % TiO2 1 % MnO 1 % K20 1 % Les valeurs précitées peuvent varier d'environ 10 %. Cette substance présente une faible solubilité des ions sodium et un équilibre de pH dans l'eau au voisinage de la neutralité. On peut utiliser le procédé de l'invention d'une manière générale pour purifier l'eau, par exemple, pour purifier l'eau non épurée ou non traitée, de préférence après un traitement destiné à éliminer les substances floculantes, pour la purification des eaux résiduaires, en particulier après la purification dite en trois stades, pour éliminer les substances en suspension et laisser les substances floculer, et également pour un nombre d'autres liquides aqueux à basse teneur en substances organiques définies plus en détail ci-après Le traitement selon l'invention permet également d'éliminer des micro-organismes dont la taille est inférieure à 10 microns, Ainsi, le procédé de l'invention est efficace pour l'élimination des bactéries et des microbes analogues, en particulier des bactéries pathogènes.Le mécanisme suivant lequel on élimine lesdits micro-organismes peut être considéré comme dépendant de la constitution d'une couche biologique ou d'une pellicule biologique dans la substance filtrante, dans laquelle les micro-organismes indésirables se trouvent consommés par d'autres micro-organismes (par exemple, des protozooaires) et d'une dégradation par un processus d'oxydation biologique. A cet effet, l'eau est oxygénée à un degré convenable avant qu'elle soit mise en contact avec le filtre, ou encore on introduite de l'oxygène ou de l'air dans la substance filtrante par absorption dans le mode de réalisation dit à lit de ruissellement. Le procédé de l'invention convient également d'une manière extrêmement satisfaisante à l'élimination des micro-organismes de taille supérieure à 10 microns et, de préférence ayant une taille comprise entre 10 et 100 microns ou davantage. Lesdits micro-organismes peuvent être constitués, par exemple, par des protozooaires qui sont pathogènes vis-à-vis des animaux ou des êtres humains. La raison pour laquelle le procédé et la substance filtrante selon l'invention présentent une efficacité aussi surprenante n'est pas connue avec certitude. Il est toutefois probable que l'efficacité du procédé et de ladite substance filtrante dépende d'une combinaison d'un certain nombre de facteurs coopérant entre eux, en particulier le fait que la substance fibreuse tend, par suite d'un potentiel Z convenable dans le liquide et/ou par sa structure chimique et/ou par sa structure superficielle, à améliorer les conditions et l'accumulation des micro-organismes sur la surface des fibres.Une disposition statistique des fibres essentiellement dans les trois dimensions ou directions peut également améliorer un tel effet et contribuer à celui-ci du fait que les fibres peuvent agir çomme des pièges mécaniques vis-a-vis des particules ou des micro-organismes de divers intervallesde tailles, en suspension. Lesdits effets ou facteurs coopérants aboutissent au résultat qui consiste en ce qu'il est possible d'utiliser, selon l'invention, un très haut débit en mètres par heure (m3/m2.h). Ainsi, la charge de surface ou la charge par unité de surface du filtre peut être maintenue au-dessus d'environ 1-1,5 mètre par heure et jusqu'à 3-5 mètres par heure ou davantage, sans sacrifier l'efficacité. On peut prévoir que ladite charge utile élevée de la substance filtrante dépend d'une combinaison de plusieurs facteurs, par exemple la bonne stabilité de forme mécanique dans 11 eau s'écoule à travers la substance filtrante, ce qui a pour conséquence que la substance filtrante conserve une structure lâche qui peut être facilement pénétrée par le liquide. En dépit de ladite charge utile élevée, la substance filtrante de l'invention présente un très bon rendement d'élimination des micro-organismes mentionnés ci-dessus qui sont continuellement fixés et dégradés ou décomposés dans la substance filtrante sans préjudice pour la charge utile. On peut choisir l'épaisseur du lit filtrant de sorte à lui donner une très faible valeur, en combinaison avec les valeurs élevées de la charge utile, mentionnées ci-dessus, par exemple une épaisseur inférieure à 1 mètre allant même jusqu'à 5-10 cm ou moins, avec le maintien de la haute capacité de séparation. La teneur en impuretés dans la matière d'alimentation, par exemple un liquide aqueux à traiter, peut varier dans de larges limites, par exemple de 5 à 50 COB7 (Consommation d'Oxygène Biologique). Le coefficient COB7 représente la consommation d'oxygène en mg de 2 par litre de liquide d'un échantillon maintenu pendant 7 jours dans l'obscurité à 180C. I1 est également préférable que la substance fibreuse ait une stabilité de forme suffisante dans le liquide traité pendant qu'elle est soumise à l'écoulement du liquide traité à travers la substance filtrante, pour que la structure de la substance fibreuse soit maintenue essentiellement inchangée avec une perméabilité élevée conservée vis-à-vis du liquide à filtrer.La compressibilité sur la charge utile du liquide, par exemple de 5-10 mètres/heure, peut être maintenue, par exemple, en-dessous de 20 % et, de préférence en-dessous de 10 %, et la substance filtrante doit présenter de préférence une compression inférieure à 1 % et, en particulier, elle ne doit pas présenter de compres sicn du tout pour un débit de 5-10 mètres/heure. Si on le désire, la substance filtrante peut comprendre une matrice ou structure de support constituée, par exemple de fibres grossières qui contribuent à assurer la résistance contre la compression de la substance filtrante sous l'effet de l'écoulement du liquide. De préférence, un cube de substance filtrante doit, après avoir été imbibé d'un liquide filtré et après avoir soumis à une charge de compression, les surfaces de la pièce cubique de la substance filtrante, perpendiculaires à la direction de l'écoulement prévu et ayant une superficie de 0,6 cm2, présenter une compression inférieure à 50 %, de préférence inférieure à 10 % et, en particulier, inférieure à 5 %, lorsqu'on augmente la charge de compression de 10 g à 20 g ou de 50 g à 150 g. De préférence, la structure fibreuse est orientée statisti quement r c'est-à-dire que les fibres filtrantes sont disposées statistiquement dans toutes les directions spatiales. I1 peut exister, toutefois un certain degré d'orientation des directions des fibres selon le procédé de préparation utilisé pour obtenir les substances fibreuses ou du fait qu'un certain effet particulier est désiré, tel que la formation de pièces mécaniques par le croisement de fibres entre elles à un angle aigu, en particulier avec une orientation prépondérante des fibres dans la direction de l'écoulement du liquide. I1 est également possible de disposer les fibres de façon perpendiculaires prépondérantes à la direction de l'écoulement, par exemple avec les fibres principalement orientées dans un plan perpendiculaire à la direction de l'écoulement. Le filtre peut être également composé d'un certain nombre de couches d'une même substance ou de substances filtrantes de différentes natures. Le filtre peut comprendre par exemple, dans la direction de l'écoulement, tout d'abord une couche de substance filtrante grossière qui retient les particules grossières, qui risqueraient sinon d'obturer la substance filtrante plus fine utilisée pour la purification de l'eau conformément à l'invention. Il est également préférable que le filtre soit conformé de telle sorte qu'il puisse être retiré de l'eau traitée sans laisser retourner les impuretés éliminées dans le liquide traité par lavage à contre-courant. Si le filtre est immergé dans un réservoir contenant l'eau à traiter, l'entrée du récipient contenant le filtre est de préférence connectée à la sortie d'un moyen de propulsion ou de circulation, par exemple une pompe. D'une manière différente, et en particulier, lorsque le filtre est disposé à l'extérieur d'un réservoir contenant l'eau traitée et qu'il est relié audit réservoir par une conduite, ladite conduite doit avoir un volume suffisant pour autoriser tout lavage à contre-courant ou écoulement à contre-courant de l'eau, afin d'empêcher la réintroduction des impuretés à partir du filtre dans l'eau d'un réservoir de liquide. La substance filtrante peut également comprendre une première couche perméable aux micro-organismes ayant une taille s'élevant à 10 microns et, de préférence s'élevant à 50-100 microns, et une seconde couche filtrante plus fine, à savoir une couche filtrante dans laquelle la distance moyenne ou maximale entre les fibres filtrantes est assez faible pour que la probabilité d'un piégeage d'un contact mécanique entre les micro-organismes et les fibres filtrantes soit accrue. L'invention vise particulièrement un filtre biologique pour traiter des liquides aqueux de faible coefficient COB. La valeur COB7 du liquide aqueux (ou l'eau) traité est de préférence inférieure à 50 et, en particulier, inférieure à 10, par exemple comprise entre 2 et 5. Conformément à l'invention, il est possible de créer dans les substances filtrantes visées par l'invention, une couche biologique efficace qui maintient, au coefficient COB de l'eau ou du liquide aqueux traité, un degré suffisant d'efficacité et qui demeure simultanément soumise à une dégradation continue, de sorte que l'obstruction du filtre est empêchée. La charge sur le filtre peut varier dans de grandes limites conformément à l'invention. Pour une capacité de production optimale, la charge peut être maintenue au-dessus de 1 mètre par heure et, en particulier, au-dessus de 2 mètres par heure à 10 mètres par heure ou davantage. On peut toutefois également maintenir des charges plus faibles sans que le filtre ne perde son efficacité. On maintient de préférence le filtre dans des conditions aérobies, c'est-à-dire que l'eau qui s'écoule à travers le filtre doit avoir une teneur en oxygène suffisamment élevée, ce qui peut être obtenu en aérant l'eau ou en ajoutant de l'air ou de l'oxygène au filtre en même temps que l'eau. Eventuellement, l'oxygène peut également contenir des composés qui lui ont été ajoutés, par exemple des composés péroxygénés. Le procédé de l'invention convient particulièrement à la purification de l'eau destinée à utiliser pour maintenir en vie les animaux ou les plantes, par exemple l'eau des réservoirs ou bassins d'élevage de poissons, l'eau des aquariums et analogues. A ces effets, on fait passer l'eau en continu ou d'une manière intermittente à travers un filtre selon l'invention. L'écoulement de l'eau à travers le filtre peut être réalisé à l'aide d'une pompe, par exemple une pompe à refoulement d'air ou pompe mammouth, dans laquelle l'eau se trouve refoulée par de l'air comprimé injecté. On peut disposer la pompe et/ou le filtre ?ans et/ou à l'extérieur de la quantité d'eau dans laquelle on désire maintenir les animaux (y compris les poissons) et plantes vivants. En amont du filtre bwologique de l'invention, on peut disposer un filtre mécanique pour éliminer les particules plus grossières et analogues, qui pourraient sinon obturer le filtre biologique.Le filtre de l'invention peut avoir une conformation telle qu'on puisse le retirer de l'eau traitée sans permettre aux impuretés éliminées d'être réintroduites dans l'eau par un écoulement en retour ou un lavage à contre-courant et le filtre doit être conformé et disposé de telle sorte qu'un quelconque écoulement en retour ou lavage à contre-courant ou libération des micro-organismes à partir du filtre ne puisse pas être obtenu à un degré notable ou qu'il soit complètement évité lorsqu'on arrête l'écoulement de l'eau. L'entrée du filtre doit être de préférence reliée à la sortie d'une pompe de circulation. Lorsqu'on utilise un filtre conforme à l'invention pour purifier l'eau dans les aquariums, les installations d'élevage de poissons, les bassins de natation, les installations d'eau potable, diverses installations d'alimentation en eau ou dans des buts analogues, le filtre peut être utilisé pour séparer et neutraliser les bactéries et les petits micro-organismes similaires, tels que des protozooaires de nature parasite ou pathogène, des oeufs de vers, des larves et analogues qui peuvent être neutralises, par exemple, par piégeage mécanique entre les fibres filtrantes maintenues par des forces électriques, telles que l'influence du potentiel Z, de même que par l'activité des micro-organismes qui consomment activement les constituants indésirables de l'eau.Comme exemple de parasites que l'on peut éliminer d'une manière efficace avec le filtre de l'invention, on peut mentionner le parasite Ichtyphtirius multifilius présent dans les aquariums d'élevage de poissons et ayant une dimension de 50 microns à environ 500 microns selon le stade de son révolution, et les organismes du groupe des schistosomes. La figure 1 représente schématiquement un dispositif filtrant pour aquarium muni d'une pompe à injection d'air comprimé 1 qui envoie l'eau dans un récipient de filtration 2. Ledit récipient de filtration comprend une couche filtrante 4, conforme à l'invention, en laine minérale, disposée sur un fond perforé 3 et, au-dessus de ladite couche filtrante, une couche plus mince amovible 5 en substance filtrante plus grossière destinée à éliminer les particules grossières. L'eau en écoulement forme une surface de liquide 6 dans le récipient filtrant 2 à un certain niveau au-dessus du niveau de l'eau 7 dans l'aquarium et, par la pression correspondant auxdites différences de niveau du liquide, l'eau présente dans le récipient de filtration est forcée à travers la couche filtrante et à travers le fond perforé.L'eau circulant à travers le filtre et l'aquarium présente une faible teneur en impuretés organiques correspondant à une faible valeur du coefficient COB et forme une couche biologique active dans le filtre. Les micro-organismes pathogènes présents dans l'eau se trouvent séparés et détruits dans le filtre par piégeage mécanique et par attaque et destruction de la couche biologique. La figure 2 montre un mode de réalisation différent. Dans un chemisage filtrant extérieur 8, muni d'une entrée d'eau et d'une sortie, se trouve disposé un récipient filtrant 9 muni de perforations dans le fond et dans la partie inférieure de la paroi latérale. La substance filtrante 4 et la substance filtrante plus grossière 5 sont disposées en-dessous d'une cloison de séparation horizontale 10 munie d'une ouverture à diaphragme rapportée 11 interchangeable, qui ne permet de laisser passer que l'écoulement maximal désire de l'eau à travers le filtre. Si l'écoulement de l'eau vers le chemisage extérieur est supérieur audit écoulement maximal, l'eau s'écoule au-dessus du bord supérieur du récipient interne en direction de la sortie indiqué par des flèches. Ce procédé convient également pour purifier l'eau des bassins de natation et les eaux analogues. Une épaisseur de couche filtrante convenable s'élève à environ 2-20 cm et, en particulier 4-10 cm. La hauteur de refoulement de l'eau s'élève de préférence à 25 cm, en particulier à 10 cm et, tout particulièrement, jusqu'à 2-5 cm. Suivant une variante de réalisation le matériau filtrant peut comprendre une source d'agents nutritifs en particulier potassium, phosphore, azote, sels de micro-éléments, enzymes, sous une forme assimilable par les micro-organismes dans le matériau filtrant pendant une longue période d'utilisation, allant de préférence d'un mois à un an ou plus. REVENDICATIONS 1. Procédé de purification de l'eau par élimination de micro-organismes, ledit procédé étant caractérisé par le fait que l'on fait passer l'eau, dans une condition telle qu'elle renferme de l'oxygène, à travers un filtre constitué par un matériau fibreux inorganique, en particulier une laine minérale. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on fait passer l'eau à travers un filtre de laine minérale dans lequel se trouve maintenue une couche biologique, et on règle le débit par unité de surface du filtre de sorte que le débit soit suffisant pour maintenir l'activité de la couche biologique et pour'empêcher l'obstruction du filtre par une dégradation continue. des micro-organismes séparés dans la couche biologique. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le #fait que l'on traite une charge constituée par de l'eau à basse teneur en matières organiques, correspondant à un faible coefficient COB7 (Consommation d'Oxygène Biologique) en mg de 2 par litre de liquide d'un échantillon maintenu pendant 7 heures à l'obscurité à 180C) inférieur à 50. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que l'on sature l'eau en oxygène d'une manière correspondante à une pression partielle en oxygène comprise entre la pression partielle d'oxygène dans l'air et l'oxygène pur à la pression atmosphérique. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'on maintient un débit à travers le filtre, qui s'élève au moins périodiquement à 1-1,5 mètre par heure, en particulier 3-5 mètres par heure et même jusqu'à 10 mètres par heure ou au-dessus. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait qu'on utilise un filtre en laine minérale dont au moins 90 % des fibres ont un diamètre inférieur à 15 ri, qui présentent une teneur en matières solides fibreuses égale au maximum à 10 % en volume, une longueur de fibre moyenne inférieure à 5 mm, et une composition chimique comprenant, avec un intervalle de variation d'environ 10 % Si02 47 % Na2O jusqu'à 2 % A1203 14 % TiO2 jusqu'à 1 % CaO 16 % MnO jusqu'à 1 % FeO jusqu'à 8 % K2O jusqu'à 1 % 7.Dispositif pour mettre en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait qu'il comprend un récipient muni d'une substance filtrante constituée par de la laine de verre, un orifice d'admission pour laisser passer l'eau à travers le filtre et un orifice de sortie pour recueillir l'eau traitée. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que le filtre est prévu pour un bassin de natation, pour un aquarium, pour une installation d'eau potable, pour une installation d'alimentation en eau, ou que le filtre est destiné à éliminer du calcium, du magnésium ou du fer pour obtenir une eau moins dure. 9. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que le filtre est constitué par la matière filtrante selon la revendication 6. -10. Dispositif selon la revendication 7 caranterise en ce que le materiau filtrant comprend une source d'agents nutritifs en particulier potassium, phosphore, azote, sels de microw ments, enzymes, sous une forme assimilable par les micro-org#nismes dans le matériau filtrant pendant une longue période d'utilisation, allant de préférence d'un mois d un an ou plus.