Brevet FR2518523A1 — publié le 19830624

Procédé et dispositif de traitement bactérien d'un liquide. Dans des domaines toujours plus nombreux d'utilisation de l'eau, il devient nécessaire de procéder à son épuration tant mécanique (élimination de particules en suspension), que chimique (élimination ou transformation des matières dissoutes. Dans ce cadre, on appelle filtration biologique ou plus exactement nitrification,l'oxydation biologique de l'ammoniac (NH4+, NH3) en nitrite (N02-) puis en nitrate (N03-) par des bactéries autotrophes. Elle est précédée de l'ammonification des composés organiques azotés par des bactéries hétérotrophes. Fixées sur un substrat, les bactéries entrent en contact avec les métabolites dissouts (NH4+, N02 et 02) soit par immersion du substrat dans un flux ascendant (up-flow) ou descendant (down-flow), par ruissellement de l'influent sur le substrat (percolation, "trickling-filter"), par fluidisation du substrat dans un flux ascendant (lit fluidisé) ou dans une cuve à décantation. Ce sont les bactéries autotrophes qui réalisent la nitrification avec le rendement le plus élevé et surtout nitrosomonas, responsable de la première étape (N-NH3- N-N02) et nitrobacter, agent actif de la deuxième phase (N-N02 - N-N03). Même présentes dans le liquide, les bactéries n' exer- cent leur activité que fixées sur un substrat. L'examen des équations globales du métabolisme des souches utilisées permet d'établir que la nitrification d'un gramme de N-NH3 consomme 4,25g d'02, ce qui explique que le manque d'02 pour la respiration des bactéries peut entraîner une inversion partielle de la nitrification. Il se produit en outre, 0,1425 g d'ions H+ (acidification) et 0,15 g de cellules de nitrosomonas, ainsi que 0,025 g de cellules de nitrobacter. Tout ou partie du substrat peut être naturel ou synthétique et avoir une action propre sur le maintien des propriétés physico-chimiques de l'eau (PPl, dureté, réserve alcaline... par exemple). La granulométrie ou porosité du substrat est un facteur important, une granulométrie fine augmente la surface disponible pour la fixation des bactéries, mais entrain un risque accru de colmatage. Enfin, certaines caractéristiques de l'eau influent sur la filtration biologique. Aérobies, les bactéries de la nitrification doivent disposer d'oxygène à volonté pour développer leur activité. L'oxydation de NH3 libère des ions H+ et les variations du PH influent sur la dissociation et la nocivité de I'ammo- niac et des nitrites. La capacité d'un filtre étant proportionnelle à la surface disponible donc au volume de substrat, pour une capacité donnée de filtration, on a été amené à prévoir des épaisseurs relativement importantes de substrat pouvant aller jusqu'à plusieurs mètres. Or, on constate qu'au cours de son passage travers le substrat, les dix à quinze premiers centimètrkes sont le siège de 60 de l'activité bactérienne. En effet1 au-delà, le taux d'oxygene diminue, donc l'activité bactérienne et par conséquent, la capacité de nitrification. De plus, les filtres épais présentent des inconvénients graves pour leur nettoyage, leur entretien, notamment en cas de colmatage, ou de développement de métabolites anaérobies qui "tuent" le filtre (présence de (NH4)2S toxique). En outre, puisque seuls les dix à quinze premiers centimètres sont réellement efficaces, le rendement total des filtres classiques d'épaisseur importante est relativement faible.En consequencé; le traitement d'un débit d'eau important, vite atteint en aquaculture#industriel- le, implique des bassins à encombrementtrès important. I1 en résulte des travaux de génie civil conséquents, entraînant une immobilisation de capitaux dont l'amortissement est loin d'être négligeable sur le prix de revient du kilogramme produit. La présente invention entend remédier à ces inconvénients, en proposant un nouveau type de filtre biologique et un nouveau procédé de traitement bactérien de l'eau de l'aquaculture. Ce nouveau filtre est d'une efficacité cinq six fois supérieure par litre de substrat à celle des filtres connus à ce jour. De plus, sa conception permet de réduire considérablement la surface au sol nécessaire à une unité de traitement, et par# là même, les immobilisations financières résultantes. Elle autorise enfin, un entretien beaucoup plus aisé, ne nécessitant pas l'arrêt de l'installation ni des dispositions annexes coûteuses. A cet effet, l'invention a donc pour premier objet, un dispositif de filtration biologique d'un liquide, constitué par un substrat permettant la fixation d'au moins une colonie de bactéries appropriées à dégrader les matières dissoutes dans ledit liquide qui traverse le filtre par percolation. Selon l'une des caractéristiques principales de l'invention, ledit substrat est divisé en une pluralité de couches superposées dont chacune possède une épaisseur correspondant à une activité bactérienne consommant une quantité partielle de gaz dissous dans le liquide la traversant, de sorte que la concentration en gaz dans le liquide reste proche de la saturation et est séparée des couches adjacentes par une couche de gaz dont l'épaisseur est déterminée de manière à ménager au liquide traversant cette couche de gaz par percolation, un temps de contact avec ledit gaz, suffisant pour qu'une quantité de- ce gaz, au moins égale à celle consommée par l'activité bactérienne dans la couche de substrat précédemment traversée, soit dissoute dans le liquide. Dans un mode de réalisation type; chaque couche de substrat est d'une épaisseur comprise entre 10 et 20 centimètres et ést individuellement amovible. Les couches sont séparées par un espace de 10 centimètres de gaz. Le substrat est une mousse souple de polyéther réticulé à pores ouverts à 30 PPI. Il sera avantageux de prévoir sur la couche supérieure, la mise en place d'un filtre mécanique amovible. Il est également indiqué de prévoir sous la couche inférieure, l'adjonction de une ou plusieurs couches de substrats différents naturels ou synthétiques, choisis pour leur capacité à reconstituer les caractéristiques physico-chimiques de l'eau traitée (PH, dureté, réserve alcaline, température, etc...). On voit que la mise en oeuvre d'un tel dispositif est en réalité un procédé de traitement biologique ou biochimique, objet second de la présente invention qui se caractérise par le fait que l'on provoque un écoulement divisé du liquide au travers d'une pluralité alternée de couches de substrat poreux de fixation de bactéries appropriées à dégrader les matières dissoutes dans le liquide et de couches gazeuses contenant pour chacune d'elles, l'élément chimique consommé lors de l'activité bactérienne siègeant dans la couche de substrat situé mmêdiatement en amont par rapport à la direction de flux du liquide. La division du flux separ percolation à travers des substrats synthétiques ou naturels de porosité contrôlée et réticulée. L'invention sera mieux comprise au cours de la description donnée ci-après à titre d'exemple indicatif et non limitatif, qui permettra d'en dégager les avantages et les caractéristiques secondaires. Il sera fait référence aux dessins annexés dans le#squels - La figure 1 est une vue schématique en coupe d'un filtre selon l'invention, - La figure 2 est la vue schématique en plan d'une batterie de filtres selon l'invention. En se reportant à ces figures, -on voit qu'un filtre 1 selon l'invention, est constitué par une pluralité de couches superposées 2 de substrat de fixation d'une colonie de bactéries appropriées à la dégradation des matières dissoutes dans le liquide à épurer. Chacune de ces couches 2 est constituée par un matelas de mousse d'une matière plastique réticulée à porosité adéquate et à coefficient de vide adapté, disposé sur un support 3 en forme de sommier. Chacun de ces sommiers repose de manière amovible sur des barres transversales de support 4, elles-mêmes maintenues à un écartement vertical fixe déterminé les unes des autres par une structure de soutien 5. Le support 4 et la structure 5 peuvent être de toute nature adaptés au soutien de manière fixe ou amovible, voire en autorisant un réglage de l'écartement vertical des substrats de fixation. Sous cet empilage de "matelas" 4, on a ménagé un bassin 6 de recueillement du liquide, prévu de manière connue, de moyens pour l'extraction de ce liquide, voire de recyclage. Ces moyens, non représentés, appartiennent à la technique connue de filtration. Il n'est pas représenté non plus sur cette figure, la ou les couches oe substrat supplémentaires, situées sur lesdits matelas ou intercalées entre eux, capables du fait de leur composition synthétique ou naturelle, de reconstituer les caractéristiques physico-chimiques de l'eau traitée (PH, dureté...) Enfin, au-dessus desdits matelas, on a installé des dispositifs 7, de distribution en pluie du liquide à traiter. Ces dispositifs pouvant être du type rampes, tourniquets ou tout autre, de nature à répartir uniformément le fluide à traiter sur le premier plateau (matelas). Ainsi, le flux du liquide à filtrer est divisé et circule par percolation au travers des couches 2 et des espaces gazeux intermédiaires de reconstitution.On remarquera que sur la figure 1, les couches de substrat 2 sont au nombre de 6, Cette figure illustre un demi-module de base du filtre selon l'invention, comportant six séries de couches superposées entre deux structures de soutien. Selon les besoins à traiter, on pourra utiliser-des modules complets-comportant douze couches de substrat en nombre approprié. L'installation complète est constituée de plusieurs modules complets disposés cote à côte, l'ensemble étant alimenté par les dispositifs 7 prolongés sur l'ensemble des modules, tandis qu'un bassin 6 est aménagé sous la totalité des modules susdits. La figure 2 illustre schématiquement par une vue en plan, une telle disposition. On retrouve sur cette figure, les éléments déjà -décrits avec les mêmes références. On voit par ce qui précède, que la construction d'une installation de filtration conforme à l'invention, est très simple donc de coût extrêmement bas. En outre, elle permet d'être très évolutive. On peut en effet disposer sur un bassin 6 prévu pour une capacité donnée maximale, un nombre de modules adaptés à un débit donné, inférieur certes à cette capacité et susceptible d'être modifié en fonction de la variation de ces besoins. Il est prudent, pour des raisons san taires, de prévoir plusieurs unités de cinq ou dix modules complets, plutôt qu'une seule unité très importante. Les bassins de recueillement ainsi que leur système d'alimentation et de reprise, non décrits ici et étant bien connus dans les règles de l'art, seront maintenus séparés et alimenteront des unités d'élevage différentes de manière à éviter la dissémination des épizooties éventuelles. Par ailleurs, l'entretien de ce filtre est extrêmement aisé. En effet, les matelas 2 et leur sommier sont très facilement#accessibles, amovibles. On peut donc procéder à leur retrait facilement et à leur nettoyage à l'extérieué du filtre. Ainsi, on peut retirer successivement chacune des couches à intervalles de temps réguliers et la remplacer par une couche propre. La couche 2a qui vient d'être nettoyée peut avantageusement être stockée sur un support Sa, au-dessus du fond du bassin, mais écartée de celui-ci pour permettre la circulation de l'eau, et se repeupler en bactéries en attendant le remplacement de la couche suivante.Le filtre peut de cette manière, fonctionner en continu avec un équipement de réserve réduit, La mise en route du filtre se fera par ensemencement des bactéries appropriées, lesquelles bactéries seront nourries et multipliées en leur fournissant par addition, suivant une méthode appropriée, de manière à ne pas dépasser le taux-de concentration d'auto-inhibition, les métabolites (NH3 N02), dans le liquide de percolation. En vérifiant que NH3 et 102 sont bien transformés, on augmente progressivement la quantité de mêtabolites ajoutées, jusqu a obtenir la capacité de traitement désirée du filtre. La population étant alors constituée, on peut lui donner à traiter l'eau d'une pisciculture ou station d'épuration à traiter.Dans le cas de variations importantes de charges dans les métabolites à traiter, il peut être intéressant de compenser une diminution de ceux- ci par une addition correspondante de métabolites, de manière à maintenir en vie la population bactérienne. Enfin, il sera intéressant de pourvoir le matelas 2 supérieur de chaque module, d'un filtre mécanique 8, destiné à retenir les particules en suspension dans le liquid#e. Ce filtre pouvant être constitué par une feuille de fibre non tissée perméable, sera aisément retiré pour être fréquemment lavé. Outre ces avantages de construction, le filtre modulaire selon l'invention présente un grand intérêt du point de vue du rendement. En effet, on s'est rendu compte dans les filtres classiques, que plus de 60 de l'activité-bactérienne avaient leur siège dans les dix à vingt premiers centimètres d'épaisseur du substrat rencontre par le liquide. Au-delà, cette activité diminue par le manque de comburant, c'est-à-dire de gaz dissoust dans le liquide et consommé par les bactéries dans leur activité de dégradation. Le filtre de l'invention prenant en compte cette constatation, ne met en oeuvre que des couches de substrat, suffisamment minces pour que la concentration en comburant dissout à -la sortie du substrat, restant proche de la saturation, permette ainsi le développement d'une activité bactérienne optimale. Puis, entre chaque couche, il est ménagé un espace rempli de gaz ambiant d'épaisseur (E) que le liquide traverse en un flux trè#s divisé (du fait de son admission par percolation). Cette division favorise l'échange entre le liquide et le gaz et la reconstitution du taux de saturation de comburant dans le liquide. Ainsi, si ce gaz comporte l'élément gazeux consommé sous forme dissoute par les bactéries de la couche précédente, le liquide pourra se recharger en cet élément lors de son passage dans la couche gazeuse. L'épaisseur (E) de' la couche sera déterminée en fonction du temps d'échange nécessaire au liquide pour dissoudre une quantité de gaz, au moins égale à celle consommée dans la couche précédente. Le liquide arrivant dans la couche suivante, assure les conditions optimales pour que dans cette couche, l'activité bactérienne soit à nouveau la plus intense possible. Ii s'ensuit une augmentation considérable du rendement de l'installation qui permet d'économiser une place importante par rapport aux constructions de filtres connues. En effet, pour un même substrat, l'invention assure un rendement six fois plus élevé en terme de g N-IH3 transformé par litre de substrat et par jour par rapport aux filtres connus (1,6 à 1,8 g par litre et par jour contre 0,3g par jour et par litre maximum) En d'autres termes, pour l'obtention de résultats identiques, l'invention est environ treize fois moins encombrante qu'un filtre connu (par exemple à flux ascendant avec comme substrat des anneaux de loch3. Econoniquement parlant le coût du génie civil est quinze à vingt fois inférieur et le coût du substrat cinq fois inférieur. Dans le cas représenté, le gaz en question est de l'air car généralement, le traitement des eaux implique des bactéries consommatrices oxygène (aérobies). On peut cependant facilement mettre en oeuvre l'invention dans une atmosphère gazeuse différente adaptée à la spécificité .des colonies de bactéries utilisées et à la nature du liquide filtré. Il suffit pour cela, d'enfermer les modules du filtre dans une enceinte remplie de cette atmosphère (application possible : élimination de traces d'hydrocarbure résultant de pollution accidentelle). Il faut remarquer que l'ensemble dudit filtre peut être enfermé dans cette enceinte étanche ou# opaque de manière à tenir compte de l'étiologie des bactéries utilisées si celles-ci ont un comportement photophobe, par exemple. On voit que l'invention peut se généraliser en un procédé de traitement biologique ou biochimique selon lequel on fait passer un liquide en flux divisé au travers d'une pluralité de couches minces de substrat de fixation d'une ou plusieurs colonies de bactéries, alternées avec des couches gazeuses contenant le ou les éléments consommés par l'activité bactérienne des couches précédentes afin de recharger le liquide par dissolution avant qu'il n'atteigne la couche de substrat suivante. L'invention n'est pas limitée à la description qui vient d'en être donnée, mais couvre au contraire, toutes les variantes qui peuvent lui être apportées, sans sortir de son cadre ni et de son esprit. Elle trouve une application intéressante dans le domaine du traitement des eaux et plus particulièrement des eaux de recyclage d'une installation d'aquaculture. Ainsi, sous forme minia turisée, l'invention permet de renouveler complètement la philoso- phie du traitement des eaux d'aquariums d'eau de mer ou d'eau douce, reprenant sous une forme- nettement#plus efficace les problèmes de filtration biologique et de maintien de qualité du milieu. Une variante importante de l'invention est donc représentée par l'utilisation de couches alternées de substrat et de gaz, précédées d'une feuille de filtration mécanique et suivies d'une ou plusieurs couches de matériaux divers destinés à assurer le maintien des paramètres souhaitables pour la vie des espèces aquatiques cultivées. R E V E N D I C A T I O N S 1. Dispositif de filtration biologique d'un liquide, constitué par un substrat de fixation d'au moins une colonie de bactéries appropriées à dégrader les matières dissoutes dans ledit liquide qui traverse le filtre par percolation, caractérisé en ce que ledit substrat est divisé en une pluralité de couches (2) superposées, dont chacune possède une épaisseur correspondant à une consommation partielle du gaz dissout à saturation dans le liquide la traversant et est séparée des couches adjacentes par une couche de gaz dont l'épaisseur (E) est déterminée de manière à ménager au liquide traversant cette couche de gaz par percola- tion, un temps de contact avec ledit gaz suffisant pour qu'une quantité de ce gaz, au moins égale à celle consommée par l'activité bactérienne dans la couche de substrat (2) précédemment traversée, soit dissoute dans le liquide. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque couche de substrat est d'une épaisseur comprise entre 10 et 20 centimètres tandis que les couches de gaz ont une épaisseur de 10 centimètres environ. 3. Dispositif selon-l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le substrat est une matière synthétique réticulée à pores ouverts de dimensions appropriées à la charge hydraulique et à l'activité bactérienne souhaitée. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le substrat est une mousse de polyéther réticulé å pores ouverts à 30 PPI. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque couche de substrat est individuellement amovible. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche (2) supérieure de substrat est recouverte sur sa partie supérieure d'un filtre mécanique amovible (8). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que sous la couche inférieure de substrat se trouve une ou plusieurs couches de substrat naturel ou synthétique, destinées à restaurer les propriétés physico-chimiques du liquide (PH, dureté, réserve alcaline...) éventuellement altéré par l'action bactérienne. 8. Procédé de filtration biologique d'un liquide, caractérisé en ce que l'on provoque un écoulement divisé du liquide au travers d'une pluralité alternée des couches d'un substrat poreux de fixation de bactéries appropriées à dégrader les matières dissoutes dans le liquide et de couches gazeuses (E) contenant pour chacune d'elles, l'élément chimique consommé lors de l'activité bactérienne siègeant dans la couche de substrat située immédiatement en amont par rapport à la direction du flux de liquide. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la division du flux est réalisée par percolation ou#asper- sion.