Brevet FR2550182A1 — publié le 19850208

l 2 550182 La présente invention a trait au domaine du traitement des eaux par voie biologique et concerne tout spécialement un procédé de dénitrification de l'eau au moyen de microorganismes utilisant des substrats carbonés (dénitrification par voie hétérotrophique). La dénitrification biologique est un processus bien connu et qui commence à être appliqué industriellement dans le traitement des eaux à potabiliser. La dénitrification autotrophique s'effectue en milieu 10 anoxique par l'intermédiaire de bactéries comme les Thiobacillus dénitrificans qui utilisent l'oxygène de l'ion NO 3 pour oxyder le soufre. Au contraire,la réduction des nitrates par voie hétérotrophique nécessite la présence d'un substrat carboné Les filières industrielles utilisent l'éthanol ou l'acide acétique comme réducteur. Des expériences réalidées sur certains échantillons de sol ont montré la capacité du sol à dénitrifier les eaux en présence de matières organiques d'origine végétale: 20 luzerne ou paille (l'emploi de paille franche est préférable à celui de paille déjà compostée). La composition du mélange gazeux produit est variable, l'azote moléculaire semblant croître avec la quantité de nitrates En sol partiellement immergé,en présence de paille, 25 la disparition de nitrates est très rapide ( 2 jours) Il apparait dans tous ces essais que la réduction des nitrites est plus lente et le temps d'adaptation des microorganismes se traduit par une poussée de nitrites en début d'expérience. Pour valoriser les co-produits de l'industrie agro30 alimentaire, on a déjà effectué des études sur la dénitrification d'eau usée par des résidus de récolte (de la paille ou des copeaux de bois) On a pu ainsi obtenir une réduction moyenne de 40 % de la teneur en NO 3. Toutefois,ces expériences antérieures n'ont pas dépassé 35 le stade du laboratoire et, à la connaissance du demandeur,il n'a jamais été proposé jusqu'à présent, un procédé simple et facile à mettre en oeuvre, permettant la dénitrification biologique des eaux par un traitement in situ,en vue de 2 2550182 permettre la potabilisation des eaux de nappes souterraines. L'invention a pour objet un tel procédé,dans lequel le traitement est réalisé sur le site de captage d'eau potable. Sous sa forme générale,l'invention concerne un procédé -de dénitrification biologique des eaux en vue de leur potabilisation,au moyen de microorganismes et d'un substrat carboné, caractérisé: -en ce qu'on utilise au moins en partie le sous-sol comme zone de réaction pour ladite dénitrification biologil O que, -en ce qu'on fait parvenir dans la nappe aquifère les eaux dénitrifiées provenant de la zone de réaction, - en ce qu'une couche du sous-sol ou d'un matériau artificiel sépare la zone principale de réaction de 15 l'aquifère, -en ce qu'on capte l'eau de la nappe de maniere connue. Le procédé de l'invention peut être mis en oeuvre de diverses manières Il est applicable, avec le plus d'avan20 tages,aux eaux présentant de fortes teneurs en nitrate, telles que les eaux souterraines Ainsi,le procédé de l'invention trouve une application particulièrement intéressante pour la potabilisation des eaux de nappes souterraines. Selon la caractéristique essentielle de l'invention, 25 le sous-sol luimême est utilisé, au moins en partie,comme zone de réaction pour la dénitrification biologique Ainsi, le traitement peut-il être effectué en totalité dans le sous-sol lui-meme,ou seulement en partie dans celui-ci: dans ce dernier casune partie de la réaction se fait hors 30 sol, par exemple dans un bac ou une colonne extérieure,la percolation étant effectuée par voie ascendante ou descendante. Cependant,le mode de réalisation préféré de l'invention consiste à utiliser le sous-sol pour réaliser la plus grande partie possible de la zone de réaction Dans certains cas, cependant,la nappe aquifère est très proche du sol,de sorte que le trajet séparant celui-ci de la nappe n'est pas suffisant pour réaliser une zone de réaction procurant une dénitrification satisfaisante de l'eau à traiter Dans un tel cas, il peut devenir nécessaire de prolonger hors sol la zone de réactionainsi qu'on l'a dit précédemment Toutefoisdans de nombreux cas, la hauteur séparant le sol de la nappe aquifère est suffisante pour que la réaction de dénitrification se réalise. Selon l'invention,on constitue des sites d'infiltration en réalisant des bassins ou puits, dont la répartition et le nombre doivent être adaptés aux conditions locales Il 10 faut tenir compteen effet,des caractéristiques du soussol,de celles de la nappe aquifère,de la vitesse d'écoulement de l'eau en sous-sol,et autres paramètres connus de l'homme du métier Ainsi,si le procédé de l'invention peut en principe être mis en oeuvre avec un puits d'infiltration, 15 les conditions pratiques imposent un nombre de puits ou bassins supérieur à l,et en général égal à 2, 3, 4 ou davantage. Par ailleurs,on capte de manière connue l'eau traitée de la nappe aquifère Après passage sur les sites d'infil20 trationl'eau dénitrifiée est injectée dans le milieu aquifère à proximité du captage des eaux envoyées en distribution Suivant les conditions hydrogéologiques,cette réinjection se fera soit directement dans l'aquifère,soit dans la zone non-saturéece qui permettra un affinement complémen25 taire de l'eau dénitrifiée,notamment en ce qui concerne les composés organiques résiduels. Les dimensions des sites d'infiltration,leur nombre et leur emplacement par rapport au captage principal sont fonction des conditions opératoires nécessaires à la bonne 30 marche du procédé et des caractéristiques hydrogéologiques et hydrodynamiques de la nappe d'eau souterraine. D'une façon générale,on a intérêt à ce que le captage soit proche de la sortie des puits d'infiltration Une configuration convenable consiste à utiliser un captage central entouré de puits d'infiltration,régulierement répartis autour de lui,et par exemple au nombre de 3 ou 4. 4 2550182 Il n'est pas nécessaire que le même puits de captage serve à la distribution et à la réinjection de l'eau pour l'alimentation des puits d'infiltration Cependant,dans ce mode de réalisation,qui est simple,l'eau est captée dans une 5 zone unique de prélèvement pour être renvoyée partiellement à la distribution,tandis que le reste est utilisé pour l'injection en vue d'un retraitement En variante,on peut prévoir un ouvrage de captage pour la distribution et un autre ouvrage dans lequel l'eau captée est réinjectée dans 10 les sites d'infiltration. Lorsque les conditions hydrogéologiques le permettent, notamment quand le niveau de la nappe,en période de hautes eaux,ne se situe pas trop près de la surface du sol,la totalité du traitement est réalisée en sous-sol,et il convient donc de préparer les puits d'infiltration pour permettre la réaction hétérotrophique de dénitrification. A cet effet,le procédé de l'invention tire profit des enseignements de la technique antérieure,mais en l'adaptant aux conditions d'application du procédé Ainsi, 20 il est très important de noter que,selon l'invention,il n'y a pas d'enrichissement artificiel en bactéries dénitrifiantes Cellesci se développent de manière autonome:en effet, le milieu dénitrifiant utilisé favorise le développement des bactéries dénitrifiantes potentiellement présentes dans la 25 plupart des nappes souterraines L'utilisation du sous-sol comme zone de réaction,procure donc des résultats extrêmement avantageux. Ceux-ci sont également obtenus grâce au fait que l'écoulement de l'eau se fait naturellement dans le sous30 sol avec une vitesse lente,par exemple de l'ordre de 0,5 m/h,ce qui permet une dénitrification poussée de l'eau à traiter. La réaction de dénitrification selon l'invention necessite la présence d'un substrat carboné La substance carbonée utilisée à cet effet est constituée de matériaux solides hydrocarbonés biodégradables Pour cela,on pourra utiliser par exemple certains co-produits de 2550182 l'industrie agro-alimentaire,des résidus de récolte tels que la pailleou encore des copeaux de bois Les meilleurs résultats ont été obtenus avec la paille. Complémentairement,la réaction est effectuée en présence d'un support minéral La nature de celui-ci varie selon les caractéristiques du soussol Si,après avoir creusé les puits d'infiltrationon constate que le terrain offre, au moins partiellement,des caractéristiques convenables pour le support minéral,on peut réutiliser le remblai en le 10 mélangeant avec la matière organique carbonéetelle que la paille Dans de nombreux cas cependant,il convient d'enrichir le sol et même parfois de renouveler entièrement le sous-sol naturel des puits d'infiltration Il est en effet préférable de choisir un support minéral qui fournit les résultats les 15 plus satisfaisants sur le plan physico-chimique Pour ce qui concerne la présentation physique,on donne la préférence à un mélange contenant du sable Pour des considérations chimiques,on utilise avec avantage un mélange contenant une roche carbonatée broyée permettant de tamponner le milieu qui a tendance à s'acidifier lors de la réaction de dénitrification;cette correction du p H du milieu permet d'éviter une chute prématurée du rendement de la réaction Dans un mode de réalisation préféré,le maerl a été utilisé comme substance carbonatée (sable constitué d'éléments de-squelet25 tes de divers coquillages) Outre son pouvoir tampon, le maerl,de par sa grande porosité, offre de nombreux sites de fixation aux bactéries dénitrifiantes. Il apparaîtra clairement à l'homme du métier qu'on peut faire appel à des combinaisons très variées de substances 30 carbonées et de support minéral Selon l'invention,les meilleurs résultats ont été obtenus avec la combinaison de la paille et de maerl On a constaté en effet, que cette combinaison offrait les meilleures facultés de dénitrification en réalisant le p H optimal pour le développement des bactéries dénitrifiantes Par ailleurs,la paille représente une substance carbonée abondante et très bon marché. Il va sans dire qu'à des périodes de temps déterminées, il convient de renouveler le contenu des puits d'infiltration A cet effet,on peut par exemple injecter de l'eau sous pression à la partie basse du puits Le matériau de remplissage usé est ainsi évacué à la partie haute du puits, après quoi on procède à son remplacement par un produit de remplissage neuf. La réaction de dénitrification par voie hétérotrophe ayant pour effet de produire des dérivés dont des composés 10 organiques, il est important que l'eau dénitrifiée subisse un affinage complémentaire par passage à travers toute substance susceptible de conduire à l'élimination de ces composés A cet égard,on a déjà noté précédemment que la réinjection de l'eau dans la zone non saturée, en dehors de 15 la nappe aquifère,permet de réaliser très simplement cet affinage complémentaire,simplement en tirant partie des caractéristiques du sous-sol Dans d'autres circonstances, et notamment si une partie de la réaction est effectuée hors sol, il peut devenir nécessaire de faire appel à des 20 substances additionnelles,du type charbon actif par exemplequi sont connus de l'homme du métier. Les différents constituants du mélange (paille,sable, maerl,charbon actif éventuel) peuvent être employés dans des proportions pouvant varier dans de larges limites 25 selon les paramètres opératoires adoptés et les contraintes fixées (débits d'alimentation,vitesse de percolation, charge en nitrates,objectif fixé en rendement). Toutes ces opérations de réglage et de contrôle sont à la portée de l'homme du métier,et ne sortent pas du 30 cadre de la présente invention. Dans sa forme préférée,l'invention propose un procédé de dénitrification in situ avec réinjection en-nappe de l'eau dénitrifiée utilisant: -un substrat carbone d'origine naturelle,tel que la 35 paille, -un support minéral de préférence le maerl possédant un pouvoir tampon pour le p H qui a un effet correcteur sur la qualité de l'eau, 7 2550182 -le pouvoir filtrant du terrain pour épurer l'eau,ce qui permet l'élimination des composés organiques susceptibles de se former lors de la réaction de dénitrification, -une vitesse lente de filtration (quelques dizaines de cm/h)permettant de mieux supporter de petites variations de débits pénalisantes du point de vue rendement de la dénitrification, -le sous-sol comme site d'infiltration permet de conserver une température constante sans dépense d'énergie. Les bactéries sont très sensibles aux écarts de température, ce qui a pour effet de faire chuter temporairement le rendement de la réaction Cet inconvénient n'existe pas dans l'invention. Comme autre avantage d'un tel procédé,on notera aussi 15 que le produit résiduel de la dénitrification (carbonate + lignine) est un résidu non polluant valorisable en agriculture. Le procédé présente donc des avantages tout à fait décisifs,auxquels s'ajoute la simplicité de sa mise en oeuvre. L'invention sera encore illustrée sans être aucunement limitée par la description ci-après faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: Fig l représente une élévation-coupe illustrant d'une manière schématique une installation pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention; Fig 2 est une vue analogue à la figure 1 illustrant une variante de mise en oeuvre du procédé. La figure 1 représente schématiquement une installation 30 en sous-sol pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention. Ce choix est fait préférentiellement lorsque la hauteur h séparant la surface du sol (l) et le niveau de la nappe souterraine ( 2) est suffisante,en d'autres termes,lorsque le niveau de la nappe ( 2) en période de hautes eaux ne se 35 situe pas trop près de la surface ( 1). Conformément à l'invention,un certain nombre de puits d'infiltration ( 3, 4) sont prévus Dans l'exemple de 8 2550182 réalisation représenté ces puits sont au nombre de quatre, répartis régulièrement autour d'un puits ( 5) de captage central Les divers puits ( 3,4) après avoir été creusés,sont remplis d'un mélange permettant d'assurer la dénitrifica5 tion et comportant essentiellement un substrat carboné,de préférence de la paille,et un support minéral,de préférence du sable et/ou du maerl Le puis de captage ( 5) est exécuté de la manière usuelle L'ouvrage ( 5) comporte une canalisation ( 6) servant au prélèvement de l'eau potabilisée Cette 10 eau peut être directement utilisée à la distribution dans la canalisation ( 7) Des dérivations ( 8, 9)permettent d'alimenter les puits ( 3,4) On a représenté en ( 12)la zone non saturée L'eau à traiter passe par les sites d'infiltration ( 3,4) puis dans les cônes d'infiltration ( 10, 11),qui peuvent eux-mêmes constituer une zone saturée selon les conditions d'expérimentation et la nature du sous-sol La présence de ces zones ( 10, 11) est favorable pour assurer une élimination complémentaire des matières organiques restant dans l'eau dénitrifiée On a représenté par les flè20 ches (F 1, F 2)le trajet de l'eau dénitrifiée jusqu'à l'ouvrage de captage ( 5). Dans la variante représentée à la figure 2,1 es mêmes signes de référence désignent les mêmes éléments qu'à la figure 1 La différence consiste en ce qu'il y a deux ouvra25 ges de captage, l'un ( 5) destine à la distribution directe en ( 6) de l'eau potabilisée, et l'autre ( 5 a) permettant par l'intermédiaire de la canalisation ( 6 a) et des dérivations ( 8,9)d'alimenter les sites d'infiltration ( 3,4). Conformément au mode de réalisation de la figure 2, il convient d'éviter d'une part les interférences des pompages des puits 5 et 5 a entre eux et d'autre part qu'une partie des eaux dénitrifiées issues des zones 10 et 11 ne retournent au puits 5 a A cet effet,on choisit la distance 1 ' très supérieure à 1, de manière que les puits 5 et 5 a soient 35 éloignés l'un de l'autre Ainsi le puits 5 a est dispose hors des sites d'infiltration 3 et 4. 9 255 550182 Il va sans dire que d'autres configurations peuvent être adoptées par l'homme du métier,selon les contraintes hydrogéologiques existantes Ainsi, le choix du nombre de sites d'infiltration,de leurs dimensions et de leur emplacement par rapport au captage principal(voir distance 1 sur la figure l)est à la portée de l'homme du métier,en raison des caractéristiques locales du sous-sol,ainsi que des paramètres désirés pour le procédé. On notera que le procédé de l'invention est simple à mettre en oeuvre L'énergie nécessaire au traitement est très réduite D'un point de vue protection de l'environnement,le procédé est également très favorable,car le site naturel est respecté,l'ensemble des opérations se faisant en sous-sol. Les investissements sont réduits et le coût d'exploitation 15 est très faible car il n'est pas nécessaire d'utiliser de reactifs chimiques,la dénitrification étant réalisée de manière hétérotrophe par les bactéries dénitrifiantes se trouvant dans le sous-sol. On notera également que le matériau usé,par exemple le 20 mélange de paille et de maerl ayant servi à la réaction, peut être utilisé en agriculture,à titre d'amendement calcaire et organique Cette valorisation du matériau use constitue*n avantage supplémentaire du procédé de l'invention. Le procédé de l'invention sera encore illustré par les exemples qui suivent Ceux-ci ont été réalisés dans des conditions expérimentales simulant les conditions réelles existant dans le sous-sol. EXEMPLE 1 Dans cet exemple,on a simulé les conditions existant dans le sous-sol en utilisant une colonne de 1,30 m de hauteur et de 60 mm de diamètre remplie d'un mélange de sable et de paille à 10 % de paille en poids,à savoir de 200 g de paille hachée et de 2 kg de sable Le débit d'eau était égal à 500 ml/hr environ. On a utilisé une percolation ascendante à une vitesse d'environ 20 cm/hr La température de l'eau a varie entre 12 C et 20 C suivant les conditions climatiques ambiantes. L'essai a été fractionné en trois périodes distinctes Les 2550182 résultats obtenus à la dénitrification sont indiqués dans le tableau 1 Les teneurs figurant au tableau correspondent,pour la période considérée, à la moyenne calculée à partir des concentrations journalières mesurées. 5 TABLEAU I Période: Moyenne de la teneur Moyenne de la teneur en nitrates en entrée en nitrates en sorde colonne (en mg/l): tie de colonne. _ f (en mgi/l) 15 du 31 01 83: au 18 02 83 90 6 du 31 02 83 au 11 03 83: 85: 2 : du 14 03 83: au 01 04 83 105 27 EXEMPLE 2 On a utilisé une colonne et des conditions expérimentales identiques à celles de l'exemple 1 mais on a remplacé le mélange de sable et de paille par un mélange de maerl et de 20 paille,à savoir de 185 g de paille hachée et 1,4 kg de maerl. Les résultats obtenus sont rassemblés au tableau II,les mesures ayant été faites comme à l'exemple 1. TABLEAU II Période Moyenne de la teneur: Moyenne de la te5: en nitrates en entrée neur en nitrates de colonne (en mg/l) en sortie de colonne: (en mg/l) 1 du 14 03 83 au 30 03 83 106 11 du 01 04 83 au 15 04 83 90 2 du 18 04 83: au 06 05 83: 104: 18 il EXEMPLE 3 On a utilisé une colonne et des conditions expérimentales identiques à celle de l'exemple l,mais on a remplacé le mélange de sable et de paille par un mélange de tourbe et de sable à 50 % de tourbe en poids, à savoir de 400 g de tourbe et de 400 g de sable Les résultats obtenus sont rassemblés au tableau III,les mesures ayant été faites comme à l'exemple 1. TABLEAU III Moyenne de la Période Moyenne de la teneur en nitrates en entrée de colonne (en mg/l) Moyenne de la teneur en nitrates en sortie de colonne (en mg/l) 25 30 35 du 21 02 83 au 11 03 83 90 89 du 14 03 83 au 01 04 83 100 99 du 05 04 83 au 22 04 83 90 85 EXEMPLE 4 On a utilisé une colonne et des conditions expérimentales identiques à celles de l'exemple l,mais on a remplacé le mélange de sable et de paille par un mélange de sable et de sulfure de fer,à 50 % en volume de sulfure de fer, à savoir de 350 cm de sulfure de fer et de 350 cmn 3 de sable. Les résultats obtenus sont rassemblés-au tableau IV:les mesures ayant été faites comme à l'exemple 1. TABLEAU IV Période Moyenne de la Moyenne de la teneur teneur en nitrates en nitrates en sortie en entrée de colonne de colonne (en mg/l) (en mg/l) du 0 5 04 83 au 22 04 83 89 73,6 du 25 04 83 au 20 05 83 100 76 du 24 05 83 au 10 06 83 94 28 12 -2550182 Il ressort des exemples ci-dessus que les mélanges des exemples 1 et 2 respectivement sable-paille et sablemaerl donnent les meilleurs résultats de dénitrification. On notera en particulier que,dans l'exemple 2,1 e mélange sable-maerl fournit, à l'issue de la 3 ème période,un rendement de dénitrification de 83 % alors que le mélange sable-paille de l'exemple 1 ne fournit qu'un rendement de 74 % Le mélange sable-maerl est donc préféré. 13 2550182 REVENDICATIONS l.Procédé de dénitrificatiorbiologique des eaux en vue de leur potabilisation,au moyen de microorganismes et d'un substrat carboné, caractérisé: -en ce qu'on utilise au moins en partie le sous-sol comme zone de réaction pour ladite dénitrification biologique, -en ce qu'on fait parvenir dans la nappe aquifère les eaux dénitrifiées provenant de la zone de réaction, -en ce qu'une couche du sous-sol ou d'un matériau artificiel sépare la zone principale de réaction de l'aqui10 fère, -en ce qu'on capte l'eau de la nappe de manière connue 2.Procédé selon la revendication l,caractérisé en ce qu'on traite les eaux des nappes souterraines. 3.Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on effectue dans le sous-sol pratiquement la totalité de la réaction de dénitrification. 4.Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on effectue dans le sous-sol une partie de la réaction de dénitrification,auquel cas une partie de la réaction se fait hors sol,par exemple dans un bac ou une colonne extérieure,la percolation étant effectuée par voie ascendante ou descendante. 5.Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4,caractérisé en ce qu'on constitue des sites d'infil25 tration en réalisant des bassins ou puits,dont la répartitionle nombre et les dimensions sont adaptés aux conditions locales. 6.Procédé selon la revendication 5,caractérisé en ce qu'on utilise un nombre de puits supérieur à 1 et en 30 général au moins égal à 2. 7 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6,caractérisé en ce que après passage sur les sites d'infiltration,, l'eau dénitrifiée est injectée dans le milieu aquifère à proximité du captage des eaux envoyées en distributionla réinjection se faisant soit directement dans l'aquifère,soit dans la zone non -saturée,ce qui permettra un affinment complémentaire de l'eau dénitrifiée, 14 2550182 notamment en ce qui concerne les composés organiques résiduels. 8.Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7,caractérisé en ce qu'on utilise un captage central en5 touré de puits d'infiltration,régulièrement répartis autour de lui,et par exemple au nombre de 3 ou 4. 9.Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8,caractérisé en ce que l'eau est captée dans une zone unique de prélèvement pour être renvoyée partiellement 10 à la distribution,tandis que le reste est utilisé pour l'injection en vue d'un retraitement. l O.Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8,caractérisé en ce qu'on prévoit un ouvrage de captage pour la distribution et un autre ouvrage dans lequel l'eau 15 captée est réinjectée dans les sites d'infiltration. ll.Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 caractérisé en ce qu'on remplit les sites d'infiltration avec un mélange contenant un substrat carbone et un support minéral. 12 Procédé selon la revendication ll,caractérisé en ce que le substrat carbone est un matériau solide hydrocarboné biodégradable susceptible de fournir le carbone nécessaire à la dénitrification hétérotrophique,et provenant notamment des sous-produits de l'industrie agro-alimentaire déjà 25 connus à cet effet,tels que des résidus de récoltes,par exemple la paille ou des copeaux de bois,la paille étant préférée. 13.Procédé selon l'une des revendications 11 ou 12, caractérisé en ce qu'on enrichit le sol ou l'on remplace 30 le sol des sites d'infiltration avec un support minéral à base de sable et/ou de roche carbonatée broyée,telle que le maerl,permettant-de tamponner le milieu 14.Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 à 13,caractérisé en ce qu'on réalise la réaction de dénitrification en présence d'un mélange de paille et de maerl. 2550182 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 14 caractérisé en ce qu'on renouvelle périodiquement le contenu des sites d'infiltration,par exemple en injectant de l'eau sous pression à la partie basse du site, 5 le remplissage usé étant ainsi évacué à la partie haute du puits, après quoi on procède à son remplacement par un produit de remplissage neuf. 16.Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 15,cearactérisé en ce qu'on utilise des vitesses lentes de filtration, notamment de quelques dizaines de cm/h.