Brevet FR2361307A1 — publié le 19780310

La présente invention concerne un procédé d'épuration biologique des déchets liquides, tels que des eaux usées ainsi qu'une installation pour la mise en oeuvre dudit procédé, qui consiste à mettre en contact les déchets liquides avec des micro-organismes actifs sur un support en vue de dégrader les impuretés organiques présentes dans les déchets. L'invention concerne également un procédé pour conférer à la surface d'une matière siliceuse des propriétds bactériophiles. Un procédé connu depuis longtemps d'épuration biologique des eaux usées, c'est-à-dire d'épuration des eaux contenant des substances organiques présentant une demande biochimique en oxygène, appelées usuellement substances D3O, à l'aide des micro-organismes, les matières organiques étant dégradées ou décomposées en sels et'minéraux inoffensifs, consiste à utiliser un filtre dit filtre biologique ou filtre à dégouttement. Selon ce procédé, les déchets liquides sont filtrés par un lit, par exemple de sable ou de cailloux, ledit lit étant un support pour les micro-organismes. Cependant, un tel lit est Si compact, qu'il retient les produits de dégradation, ce qui signifie qu'après un certain temps, le filtre est saturé et doit entre remplacé ou régénéré. Ceci est lent et coûteux, mais signifie aussi que, pendant certaines périodes, le lit n'est pas utilisable. Des lits de ce type sont décrits dans le brevet des E.U.A.N 2 237 711 et dans le brevet suédois NO 215 691. En vue de résoudre le problème du colmatage du filtre biologique, on a utilisé une installation du type décrit par exemple dans les brevets des E.U.Â. No 3.238.124 et 3.407.935. t'installation décrite dans ces brevets comprend des fibres d'écorce d'arbre librement suspendues et essentiellement individualisées, qui supportent les micro-organismes. Cependant, un grand inco#vénient associé à l'utilisation des fibres d'écorce est constitué, d'une part, par le fait que les fibres sont consommées par les micro-organismes, ce qui signifie qu'elles doivent être remplacées par des fibres nouvelles et, d'autre part, par le fait que les fibres sont décomposées en substances contaminantes. Par conséquent, l'étape suivante de mise au point a consisté à utiliser des supports de matières inertes tels que décrits dans le brevet des E.U.A. NO 3.617.541 et dans la demande de brevet suédois S.N. 73-08380-0. Cependant, pour obtenir une dégradation adéquate au moyen des microorganismes, il a été nécessaire d'utiliser ces supports sous la forme d'une étoffe de fibres de verre tissées, comme décrit dans le brevet des E.U.A. NO 3.617.541 précité ou une feuille ou plaque serrée de laine minérale, comme décrit dans la demande de brevet suédois S,N 73-08380-0 précitée, e'est-i-dire en éléments fibreux fortement rassemblés, ce qui signifie une étape en arrière vers le filtre biologique mentionné ci-dessus. Selon la présente invention, il 8 s'est avéré possible d'éliminer les inconvénients précités. Ainsi, au moyen du procédé et de l'installation selon l'invention, il est devenu possible de faire usage seulement des avantages associés respectivement, à l'utilisation de fibres essentiellement individualisées et à l'utilisation de matières inertes, ce qui est un objet longtemps poursuivi mais qui n'a pas été jusqu'd présent réalisable. t L'invention est basée sur lobservatioFiqu'en formant à la surface d'une matière siliceuse et inerte une couche de silice collordale, on obtient un substrat qui retient et favorise la croissance de cultures de miero-organismeBactifs à un degré tel que le support peut être utilisé suivant une configuration qui est beaucoup plus ouverte que les tissus serrés, les plaques et les feuilles serrées auxquelles on a eu recours jusqu'à présent. Par conséquent, la présente invention concerne généralement un procédé pour conférer des propriétés bactériophiles à la surface d'une matière siliceuse qui consiste à préparer ou à appliquer sur ladite surface une couche de silice colloSdale. La matière siliceuse préférée est le verre et le principe de l'invention peut titre appliqué aux matières siliceuses de toute forme, y compris les feuilles, billes, fibres, etc. Cependant, selon un mode de réalisation préféré, la matière siliceuse est utilisée dans le procédé et l'installation d'épuration des déchets, comme support sous la forme d'éléments de fibres essentiellement individualisés. Dans le cas présent, l'expression t'éléments de fibres essentiellement individualisés" se rapporte à des fibres, filaments ou éléments similaires de forme allongée qui sont présents sous forme essentiellement individuelle. Ainsi, à la différence des tissus ou plaques utilisés antérieurement, les éléments ne sont pas réunis en ensembles ayant des fibres disposées en croix ou similaires. A des fins de simplification, on utilise dans ce qui suit le terme fibres. L'expression "silice colloTdale" utilisée dans le présent mémoire se rapporte à une structure ouverte amorphe, comprenant sur la surface, un gel de silice. Le terme "silice" doit être interprété dans le sens le plus large, incluant toute substance siliceuse, c'est-à-dire composée ou dérivée de silice ou de silicates, apparentée à la silice ou aux silicates, ou contenant de la silice ou des silicates. Selon la présente invention, il s'est avéré que la fixation des micro-organismes à la silice collordale est Si forte que le support peut être utilisé même sous forme de fibres disposées verticalement et, de préférence, librement suspendues. C'est une réalisation particulièrement préférée de l'invention puisque, avec cette disposition des fibres,il n'y a pas de tendonoe au colmatage, et la résistance à l'écoulement entre les fibres est extrémement faible. Toutefoi#s, l'invention n'est pas limitée à la disposition verticale des fibres, toute inclinaison, y compris la position horizontale, étant possible. Cependant, l'avantage de la disposition verticale des fibres est qu'elle permet l'oscillation libre d'une extrémité des fibres. Des résultats particulièrement avantageux sont obtenus selon l'invention lorsqu'on dispose les fibres séparées les unes des autres avec un intervalle entre elles d'environ 2 à 5 mm. En plus, du fait qu'il n'y a pas de colmatage dans le procédé selon l'invention, le fait que le support est inerte, c'est-b-dire qu'il n'est pas affecté ou consommé par les microorganismes, signifie que le procédé peut Qtre conduit de manière complètement continue sans interruptions pour la régénération ou le remplacement de la matière de support. De plus, il s'est avéré que, dans le procédé selon l'invention, les microorganismes morts se détachent d'eux-mêmes de la matière de support, la forme du support étant telle que les microorganismes morts ne s'accumulent pas dans l'installation d'épuration, mais qu'ils tombent automatiquement parmi les déchets et sont extraits de l'installation. Comme on l'a déjà mentionné, une matière siliceuse préférée est le verre. Cependant, toute matière siliceuse, par exemple des fibres minérales est utilisable. Puisque, selon l'invention, ce n'est que la matière de la couche superficielle qui présente de l'intérêt, il n'est pas nécessaire que les fibres soient homogènes. Ainsi, les fibres peuvent comporter une âme en matière inerte ou non-inerte et un 7 revêtement ou couche superficielle en matière siliceuse. L'étape consistant à former une couche de silice colloSdale sur la matière siliceuse est exécutée de manière que, outre qu'elle soit poreuse, la couche superficielle soit bien ancrée dans la matière sous-jacente et aussi qu'elle soit relativement neutre du point de vue ionique. La voie préférée de réaliser cela est d'attaquer la surface de manière à lixivier les ions des métaux alcalins et alcalino-terreux qui sont assez facilement déplaçables dans la structure de la matière siliceuse. L'attaque est effectuée par l'un des procédés suivants: 1. Attaque en solution alcaline suivie de neutralisation à l'acide 2. Attaque à l'acide fluorhydrique liquide ou gazeux, acide fluosilicique (H2SiF6), sels d'ammonium de ces acides ou d'autres dérivés de l'acide fluorhydrique suivie de neutralisation et lavage. 3. Attaque à l'acide phosphorique ou dérivés de l'acide phosphorique, citrates, acide nitrilotriacétique (NTA) ou d'autres agents complexants suivie de neutralisation ou reprécipitation alternativement aux agents complexants pour la reprécipitation de silice collordale sur la surface du verre. Le terme "attaque" utilisé dans le présent mémoire signifie aussi bien la dissolution de la couche superficielle de la matière siliceuse sous la forme de silicate que- l'appli- cation d'une couche de silicate ou de silice sur la couche superficielle. Les micro-organismes utilisés selon l'invention oomprennent les micro-organismes utilisés antérieurement dans l'épuration biologique, tels que des bactéries aérobies et anaérobies. Cependant, puisqu'un mode de réalisation préféré de l'invention consiste à utiliser le filtre à peu près complètement rempli d'eau comme illustré dans ce qui suit, la dégradation doit étre de préférence essentiellement anaérobie. Les micro-organismes sont appliqués sur le support par n'importe quel procédé connu, par exemple par la mise en contact du support avec une culture de micro-organismes soit avant, soit après la fixation du support dans l'installation d'épuration. Il est évident que l'installation selon l'invention peut être utilisée en combinaison avec d'autres moyens d'épuration, si on le désire. Par exemple, les déchets liquides, avant d'être introduits dans l'installation selon l'invention, peuvent être décantés afin d'éliminer les particules solides plus grosses. Toutefois, compte tenu de la forme du support selon la présente invention, cette opération de décantation initiale peut dans bien des cas être éliminée puisque meme les particules relativement grosses peuvent passer à travers le support sans risque de colmater ledit support. La figure unique du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Ladite figure représentant schématiquement une réalisation préféré de l'installation sous la forme d'un filtre d'épuration d'eau pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Dans ce contexte, il faut noter que le filtre ne diffère pas structurellement de beaucoup de configurations de filtres connues et ctest pour cette raison que le filtre n'est représenté que schématiquement et que certains moyens usuels ne sont pas représentés. Par conséquent, la caractéris- tique essentielle de l'invention est le support et le mode d'utilisation dudit support. Le filtre d'épuration d'eau comprend une cuve 1 ayant une entrée supérieure 2 et une sortie 3A dans la paroi latérale ainsi qu'une sortie 32 de fond. Dans la cuve 1, sont disposées verticalement des fibres de verre 4 librement suspendues à un treillage 5 fixé dans la cuve 1 à proximité de l'entrée 2. L'entrée 2 et les sorties 3A et 3B sont munies de moyens de réglage (non représentes) pour la régulation# @ compris la coupure)du débit des eaux. Pour utiliser le filtre, l'eau contaminée est introduite dans la cuve 1 par l'entrée 2, les sorties 3A et 3B étant fermées, jusqu'à ce que le niveau 6 de l'eau dépasse le treillage 5. L'alimentation en eau est effectuée de préférence par des moyens de distribution (non représentés) qui distribuent liteau uniformément sur les fibres 4 qui portent les micro-organismes nécessaires pour l'épuration. Tout en maintenant la sortie 3B fermée, on ouvre la sortie 3Ae A l'aide des moyens de régulation dans l'entrée 2 et dans ja sortie 3A, on règle le débit d'eau de manière à obtenir un temps de stagnation de l'eau contaminée suffisant pour achever la d#gradation voulue des contaminants organiques, à maintenir w1 niveau 6 d'eau de préférence constant au-dessus du treillage 5, et à obtenir une sédimentation de la boue sur le fond de la cuve 1 qui ne soit pas entrainée par l'eau épurée par la sortie 3A. Lorsque le niveau 7 de boue au-dessus du fond de la cuve l devient trop élevé, la sortie 3B est ouverte pour permettre le drainage de la boue. Du fait de leur suspension libre dans la cuve i, les fibres 4 sont en mesure d'osciller de telle manière que, dans le filtre, il n'y ait pas de colmatage et que les micro-organismes morts puissent se détacher et tomber dans la boue, ce qui permet l'opération continue du filtre. L'invention est illustrée plus en détail par les exemples non limitatifs suivants : Exemple 1 On introduit dans un tube de verre une "bourre" de fibres de verre non tassées, dont la surface est traitée au préalable avec une solution alcaline et est neutralisée ensuite à l'acide. On introduit une "bourre" similaire de fibres non traitées dans un tube de verre du meme type. On introduit dans les deux tubes de verre une culture de bactéries dont le nombre total de bactéries par mi est déterminé dans le Tableau 1 ci-après, le nombre des bactéries étant modifié par croissance dans "la masse de fibres de verre", de sorte que le nombre de bactéries dans le substrat extrait des tubes est supérieur au nombre établi lors de l'introduction dans les tubes. Les résultats sont résumés dans le Tableau 1 suivant TABLEAU 1 Nombre total de Nombre total de bac té- Nombre total di bactéries au début ries sur les fibres de bactéries sur verre non-traitées les fibres de extraites verre traitées extraites 1 000 environ 5 000 environ 10 000 5 000 ≈ 7 500 n 18 000 8 000 " 16 000 n 30 000 10 000 1 " 20 000 " 45 000 50 000 " 30 000 n 70 000 Il ressort du Tableau 1 qu'un traitement superficiel des fibres de verre confère une augmentation considérable de l'activité biologique du filtre. En général, l'augmentation du nombre de bactéries sur les fibres de verre non traitées est de l'ordre de 50 à 100 %, tandis que les fibres de verre traitées présentent une augmentation de l'ordre de 300 à 400 %. Exemple 2 Dans un tube ayant un diamètre de 20 cl et une longueur de 115 cm, on suspend sur toute la surface transversale des faisceaux de fibres de verre E avec un intervalle de 2 mm entre elles. La configuration du reste de la structure du filtre est telle que représentée. On remplit-le filtre avec de l'eau qu'on rend ensuite alcaline à un pH d'environ 13. Après environ 16h à la température ambiante, la solution est rendue acide à un pH d'environ 6. Après rinçage, on fait passer des eaux d'égout urbain préaérées (après pré-sédimentation) par le filtre à un débit d'environ 5 l/h, correspondant à un temps de stagnation d'environ 3 h. Après environ 2 jours d'écoulement continu, on enregistre la DB07(demande biochimique en oxygène, 7 jours, mg/l), la DOC (demande d'oxygène consommé, mg/l), et la turbidité (nombres rditifa) des eaux d'entrée aussi bien que des eaux de sortie. L'essai est répété deux fois. Les résultats sont résumés dans le Tableau 2. TABLEAU 2 Essai N D B O7 D O C Turbidité entree sortie entrée sortie entrée sortie 380 10 685 370 140 4,5 II 3000 130 - - 43 8 III 460 30 825 200 73 8,1 REVENDICATIONS 1.- Procédé d'épuration biologique des déchets liquides, tels que des eaux usées, qui consiste a mettre en contact les déchets liquides avec des micro-organismes sur un support en vue de réaliser la dégradation des contaminants organiques, caractérisé en ce qu'il consiste a utiliser un support d'éléments fibreux suspendus librement essentiellement individualisés comportant au moins une couche superficielle d'une matiere siliceuse inerte dont la surface comprend une couche de silice colloldale. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'intervalle entre éléments de fibre adjacents est compris entre environ 2 mm et 5 mm. 3.- Procédé selon la revendication l ou 2, caractérisé en ce que la matiere siliceuse est constituée de verre. 4.- Procédé selon l'une quelconque des revendications l à 3, caractérisé en ce que la couche de silice colloïdale est essentiellement neutre du point de vue ionique. 5.- Procédé selon l'une quelconque des revendications l à 4, caractérisé en ce que la couche de silice colloïdale est obtenue par attaque. 6.- Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'attaque est réalisée par traitement avec une solution alcaline suivi de neutralisation avec un acide. 7.- Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'attaque est réalisée par traitement avec une substance choisie parmi le groupe constitué par l'acide fluorhydrique liquide ou gazeux, l'acide fluosilicique (H2SiF6), les sels d'ammonium de ces acides et d'autres dérivés de l'acide fluorhydrique, suivi de neutralisation et lavage. 8.- Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'attaque est réalisée par traitement avec une substance choisie parmi le groupe constitué par l'acide phosphorique et les dérivés d'acide phosphorique, les citrates, l'acide nitrilotriacétique (NTA) et d'autres agents complexants, suivi de neutralisation ou reprécipitation. 9~- Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'attaque est réalisée par traitement avec des agents complexants pour la reprécipitation de la silice colloïdale. 10.- Installation d'épuration biologique des déchets liquides, tels que eaux usées, qui comprend une cuve ayant une entrée pour les déchets liquides, une sortie pour l'eau épurée un support pour les micro-organismes et des moyens pour fixer le support dans la cuve, caractérisée en ce qu'elle comprend un support comportant au moins une couche superficielle d'une matière siliceuse inerte dont la surface comprend une couche de silice colloïdale. 11.- Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce que l'intervalle entre les éléments de fibre adjacents est compris entre environ 2 mm et 5 mm. i2.- Installation selon la revendication 10 ou 11, caractérisée en ce que la matière siliceuse est constituée de verre. 13.- Installation selon l'une quelconque des revendica tions 10 à 12, caractérisée en ce que la couche de silice collo- dale est essentiellement neutre du point de vue ionique. 14.- Installation selon l'une quelconque des revendica tions 10 à 13, caractérisée en ce que la couche de silice collo;- dale est obtenue par attaque. 15.- Installation selon la revendication 14, caractérisée en ce que l'attaque est réalisée par traitement avec une solu tion alcaline suivi de neutralisation avec un acide. 16.- Installation selon la revendication 14, caractéri sée en ce que l'attaque est réalisée par traitement avec une substance choisie parmi le groupe constitué par l'acide fluorhydrique liquide ou gazeux, l'acide fluosilicique (H2SiF6), les sels d'ammonium de ces acides et d'autres dérivés de l'acide fluorhydrique suivi de neutralisation et lavage. 17.- Installation selon la revendication 14, caractéri- sée en ce que l'attaque est réalisée par traitement avec une substance choisie parmi le groupe constitué par l'acide phosphorique et les dérivés d'acide phosphorique1 les citrates, l'acide nitrilotriacétique (NTA) et d'autres agents complexants suivi de neutralisation ou reprécipitation. 18.- Installation selon la revendication 14, caractérisée en ce que l'attaque est réalisée par traitement avec des agents complexants pour la reprécipitation de la silice colloïdale. l9.- Installation selon l'une quelconque des revendications 10 à 18, caractérisée en ce que la sortie consiste en une sortie dans la paroi latérale pour le liquide épuré et une sortie de fond pour la boue. 20.- Procédé pour conférer des propriétés bactériophiles a une surface d'une matière siliceuse, caractérisé en ce qu'il consiste à préparer sur ladite surface une couche de silice collofdale. 21.- Procédé selon la revendication 20, caractérisé en ce que la couche de silice colloïdale est essentiellement neutre du point de vue ionique. 22.- Procédé selon la revendication 21, caractérisé en ce que la couche de silice colloïdale est obtenue par attaque. 23.- Procédé selon la revendication 22, caractérisé en ce que l'attaque est réalisée par traitement avec une solution alcaline suivi de neutralisation avec un acide. 24.- Procédé selon la revendication 22, caractérisé en ce que l'attaque est réalisée par traitement avec une substance choisie parmi le groupe constitué par l'acide fluorhydrique liquide ou gazeux, l'acide fluosilicique (H2siF6), les sels d'ammonium de ces acides et d'autres dérivés de L'acide fluorhydrique, suivi de neutralisation et lavage. 25.- Procédé selon la revendication 22, caractérisé en ce que l'attaque est réalisée par traitement avec une substance choisie parmi le groupe constitué par l'acide phosphorique et les dérivés d'acide phosphorique, les citrates, l'acide nitrilotriacétique (NTA) et d'autres agents complexants suivi de neutralisation ou reprécipitation. 26.- Procédé selon la revendication 22, caractérisé en ce que l'attaque est réalisée par traitement avec des agents complexants pour la reprécipitation de la silice colloïdale. 27.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 20 a 26, caractérisé en ce que la matière siliceuse est composée de verre.