Brevet FR2562536A1 — publié le 19851011

La présente invention concerne un procédé et un appareillage pour éliminer l'ammoniac et/ou les nitrates contenus dans les eaux (c'est-a-dire les eaux superficielles, souterraines et résiduaires). On emploie plusieurs types de procédés pour éliminer l'ammoniac des eaux résiduaires. Des procédés physiques (aération), physico-chimiques (échange d'ions) et biologiques (nitrification) sont bien connus. Un inconvénient important du premier procédé est qu'il consomme une quantité extraordinairement importante d'énergie en raison de rapport élevé (plusieurs milliers de parties pour une partie) de l'air à l'eau, en plus du fait qu'on ne peut l'utiliser que dans des conditions climatiques déterminées en raison de sa sensibilité au froid Un autre inconvénient de cette méthode est que l'ammoniac contenu dans l'eau résiduaire est libéré dans l'air, si bien que la pollution de l'eau se transforme en une pollution de l'air.Le cout est encore accru par la nécessitE de récupérer l'ammoniac dtTrnlson, S.G. : Ammonia recovery from waste-waters (J. WPCF, vol. 51, n0 10, 1979) 7. Au contraire, l'avantage de la nitrification biologique est que l'ammoniac contenu dans l'eau résiduaire est transformé en nitrate, si bien que 1'ammoniac est éliminé sans etre transféré à un autre milieu. Cependant, le produit final est un nitrate qui est une substance indésirable dans les eaux effluentes car elle produit des contaminations secondaires. Récemment, on a éliminé l'ammoniac des eaux superficielles et de boisson par emploi de zéolite, en particulier d'une z#éolite de type clinoptilolite. Ce procédé repose sur les propriétés d'échange sélectif d'ions de la clinoptilolite (Jorgensen, S.E. ; Equilibrium and capacity data of clinoptilolite (Water Research, vol. 13, n0 2, 1979)7. La production d'une solution contenant des quantités relativement importantes d'ammoniac à de fortes concentrations pose un problèrne car la manutention et le stockage d'une telle solution sont malaisés. Une régénération par des bactéries nitrifiantes est suggérée par Semmens, M.J. itrogen removal by ion exchange: biological regeneration of clinoptilolite (J. WPCF, vol. 49, n0 12, 197717. La chloration jusqu'au point de surchloration puis l'adsorption sur du charbon activé est un procédé bien connu d'élimination de l'ammoniac contenu dans les eaux de boisson. Ce procédé peut de préférence être utilisé pour le traitement d'eaux contenant des quantités élevées de substances organiques (par exemple d'acide humique) car elles sont également éliminées par le charbon activé. Les cinétiques réactionnelles de ce procédé sont décrites par Kim, B.R. 6 emoval of dichloramine and ammonia by granular carbon (J. WPCF, vol. 50, n0 1, 1980)7. Un inconvénient de ce procédé est le court opératoire élevé car la transformation de l'ammoniac en chloramine nécessite l'emploi d'une quantité presque décuple de chlore. La dénitrification biologique est le procédé classique le plus fréquemment utilisé pour éliminer les nitrates des eaux résiduaires. Ce procédé a l'avantage d'être peu motteux et simple à réaliser et on peut également l'appliquer à l'eau de boisson lorsqu'on ajoute une source de carbone qui n'est pas dangereuse pour la santé. Un inconvénient de ce procédé est que les nitrates sont éliminés par des bactéries dans des conditions anaérobies dans lesquelles le risque d'apparition de bactéries pathogènes tres toxiques est accru. Un autre procédé usuel d'élimination des nitrates de l'eau de boisson consiste utiliser des échangeurs sélectifs d'ions. Cependant, la plupart des résines échangeuses d'ions peuvent être critiquées du point de vue de l'hygiène. Une difficulté est que la sélectivité de ces résines n'est pas rigoureuse, si bien que ce pro cédé est très motteux lorsqu'on l'utilise par exemple pour traiter des eaux contenant des quantités élevées de sulfates a cholze, C. : Die Nitratelimitation in der Trinkwasseraufbereitung (Acta Hydrochim. Hidrobiol., vol. 6, n0 5, -197817. La teneur en chlorures de l'eau est accrue de façon indésirable par les procédés opérant dans le cycle chlorure.De plus, la régénération ainsi que la manutention et le stockage de la matière régéné- rée posent divers problèmes. L'osmose inverse est également un procédé classique d'élimination des nitrates contenus dans les eaux, cependant, ce procédé nécessite bien trop d'énergie et est donc extraordinairement coûter. Les coûts sont particulièrement accrus par le fait que parmi l'élimination des ions prédominants, c'est 11 élimination des ions nitrates qui a le rendement le plus faible. Ce procédé n'est donc utilisé que dans des cas particuliers. Le but de l'invention est de fournir un procédé pour éliminer l'ammoniac et/ou les nitrates contenus dans des eaux de façon tries efficace avec des colts d'investissement et de fonctionnement réduits, sans utiliser aucune matière organique nuisible à la santé du consommateur, grace à un appareillage facile a rbali.ser pour la mise en pratique du procédé. L'invention repose sur la découverte que 1 e ammoniac et/ou les nitrates contenus dans les eaux, sont incorpores aux cellules de champignons inférieurs (qu'on appelle ci-après pour simplifier : champignons) qui ne sont pas pathogènes pour l'hoimne, si bien que l'ammoniac et/ou les nitrates peuvent être éliminés par la culture -de champignons avec un taux supérieur de plus d'un ordre de grandeur au taux de décomposition par les bactéries, si bien que ce procédé est bien plus efficace que les procédés biologiques connus apparentés. Selon l'invention, le but recherché est atteint dans le cas des eaux superficielles et souterraines par emploi d'un procédé qui consiste à placer une culture de champignons inférieurs vivants non pathogènes pour l'homme (par exemple Aspergillus niger, Aspergillus oryzae) dans un réacteur biologique contenant une charge granulaire et à maintenir les champignons dans des conditions aérobies avec des substances nutritives essentielles (par exemple une source de carbone, des phosphates). Lorsque cela est nécessaire, les eaux souterraines ou superficielles à purifier et contenant de l'ammoniac et/ou des nitrates sont soumises 3 une décantation préliminaire puis conduites à travers le réacteur biologique.Les matières en suspension de l'eau débarrassée de l'ammoniac et/ou des nitrates sont éliminées dans un décanteur secondaire et un filtre, tandis que les matid- res organiques sont éliminées dans un adsorbeur contenant du charbon activé et l'eau purifiée est désinfectée (par exemple par chloration). Le procédé de l'invention pour éliminer l'ammoniac et/ou les nitrates, contenus dans les eaux résiduaires brutes ou purifiées, consiste à placer une culture de champignons inférieurs vivants non pathogènes pour l'homme dans un réacteur biologique contenant une charge granulaire et à maintenir les champignons dans des conditions aérobies. Lorsque cela est nécessaire, l'eau à purifier est soumise à une décantation préliminaire et conduite à travers le réacteur biologique. Les matières en suspension de l'eau résiduaire débarrassée de l'ammoniac et/ou des nitrates sont éliminées dans un décanteur secondaire et l'eau purifiée est désinfectée si on le désire. L'appareillage de l'invention, pour éliminer l'ammo- niac et/ou les nitrates contenus dans les eaux souterraines (provenant des profondeurs plus ou moins importantes), comprend un dispositif pour introduire des produits chimiques, un réacteur biologique muni d'un fond filtrant et contenant une charge granulaire, un dispositif d'introduction de chlore gazeux, un autre dispositif d'introduction de produits chimiques, un floculateur, un décanteur secondaire, un filtre, un adsorbeur avec du charbon activé et une unité de désinfection (par exemple de chloration secondaire), L'appareillage de l'invention, pour éliminer l'ammoniac et/ou les nitrates contenus dans les eaux superficielles, comprend un décanteur préliminaire, un dispositif pour introduire des produits chimiques, un réacteur biologique contenant une charge granulaire et muni d'un fond filtrant, un dispositif pour introduire du chlore gazeux, un autre dispositif pour introduire des produits chimiques, un floculateur, un décanteur secondaire, un filtre, un adsorbeur contenant du charbon activé et une unité de désinfection. L'appareillage selon l'invention, pour éliminer l'ammoniac et/ou les nitrates contenus dans les eaux résiduaires, comprend un réacteur biologique contenant une charge granulaire et muni d'un fond filtrant, un décanteur et une unité de chloration secondaire. Le procédé de l'invention est illustré par la figure unique annexée et décrit dans les exemples non limitatifs suivants. La réalisation technologique du procédé de l'inven tion est illustrée par la figure unique annexée. Exemple 1 Elimination de l'ammoniac et/ou des nitrates contenus dans des eaux superficielles Les matières en suspension de l'eau sont éliminées dans le décanteur préliminaire 1. Les solutions contenant la source de carbone, le phosphate et les sels de calcium essentiels aux fonctions vitales des champignons sont introduites par le dispositif 2 et l'eau a purifier est ensuite introduite dans le réacteur biologique 3. C'est un récipient cylindrique fermé dans lequel l'eau est introduite par le fond. L'axrygéne qui est également essentiel aux fonctions vitales des champignons est éga- lement introduit par le fond sous forme d'air. Les champignons qui sont capables d'éliminer l'ammoniac et/ou les nitrates sont cultivés sur la substance de charge en une quantité appropriée avant qu'elle soit placée dans le réacteur. L'eau à purifier et l'air sont conduits à travers les filtres àbougies situés dans le réacteur 3. L'excès d'air est éliminé au sommet du réacteur 3. L'eau épurée est également éliminée à la partie supérieure du réacteur 3. Ensuite, les champignons quittant le réacteur 3 sont traités avec des agents chimiques (par exemple du sulfate d'aluminium, du chlorure de fer), amenés par le dispositif 5 et conduits dans le floculateur 6 ou ils sont soumis à un tassement et à une floculation avec une agitation lente. Les flocs de champignons obtenus sont sédimentés dans le décanteur secondaire 7. Un filtre de sécurité 8 est utilisé pour retenir les flocs quittant éventuellement le décanteur secondaire 7. L'eau s'écoule vers le bas à travers le filtre. Lorsque cela est nécessaire, on peut, pour accroitre la capacité de filtration, utiliser un filtre à deux couches. Dans des conditions avantageuses, le floculateur 6 et le décanteur secondaire peuvent être supprimés et, dans ce cas, une coagulation rapide s'effectue dans le filtre à sable. Si on le désire, la matière organique résiduelle peut être éliminée dans I'adsarbeur 9 par du charbon activé. L'eau ainsi épurée et retraitée est ensuite fournie aux consommateurs. Exemple 2 Elimination de 1'ammoniac et/ou des nitrates contenus dans des eaux souterraines provenant de profondeurs diverses) Comme les eaux souterraines ne contiennent généra lement pas de matières en suspension, le décanteur préliminaire 1 est inutile. Ensuite, l'eau est traitée comme dans l'exemple 1. Exemple 3 Elimination de l'ammoniac et/ou des nitrates d'eaux résiduaires L'eau résiduaire n'est soumise à un prétraitement que lorsqu'elle est brute. L'eau résiduaire ayant subi une purification biologique est introduite directement dans le réacteur 3. Dans ce cas, on n'ajoute pas de substances nutritives car les composés du carbone et du phosphore qui sont présents en quantités importantes dans les eaux résiduaires fournissent les substances nutritives essentielles aux fonctions vitales des champignons. La chloration, la floculation, la filtration et la filtration sur charbon activé sont supprimées. L'eau est conduite du réacteur 3 au décanteur secondaire 7 puis traitée avec du chlore provenant de l'unité de désinfection 10 en une quantité appropriée puis conduite au réservoir. Un mode de réalisation possible de l'appareillage pour la mise en pratique du procédé de l'invention est illustré par la figure unique. L'appareillage pour éliminer l'ammoniac et/ou les nitrates contenus dans des eaux souterraines (de prof on deurs diverses) est constitué d'un décanteur lamellaire i de type Dortmund a écoulement vertical pour l'élimina- tion des matières en suspension dans l'eau ; un dispositif 2 d'introduction de produits chimiques, muni d'une pompe pulsatoire a débit variable ; et d'un réacteur biologique -3.Ce dernier est un récipient cylindrique fermé ayant des extrémités supérieure et infOrieure en relief, Les raccords d'introduction et d'élimination de l'eau et de l1air sont situés sur le fond et le sommet du récipient. Le réacteur 3 continent une plaque de fond ayant un taux de perforation de 5 à 6 t. L'épaisseur de la charge portant les champignons est de 0,8 à 1,5 m avec une taille des particules de 4 à 6 mm. La substance de la charge est un support actif naturel ou artificiel (par exemple une roche contenant de la zéolite).De plus, l'appareillage comprend un dispositif 4 d'introduction du chlore avec un débit variable (par exemple de type ADVANCE) ; un dispositif 5 d'introduction de produits chimiques ; un floculateur 6 conçu pour que la durée de séjour soit de 15 à 20 minutes et muni d'un agitateur à vitesse lente ; un décanteur secondaire 7 de type Dortmund avec un écoulement vertical muni d'une cloison ; et le filtre 8. Le filtre 8 est un récipient cylindrique de type ouvert ou fermé avec des raccords supérieurs et inférieurs et un fond bombé. Le récipient comprend une plaque de fond ayant un taux de perforation de 5 à 6 %, muni de filtres à bougies.La charge est constituée d'une ou deux couches : un sable filtrant ayant une taille des particules de 0,8 à 1, 2 mm ou de 1 à 2 mm, tandis que la seconde couche est constituée d'anthracite en morceaux ayant une taille des particules de 2 à 3 ou de 3 à 5 mm. L'épaisseur de la couche totale est de 1,5 m (par exemple 1 m de sable et 0,5 m d'anthracite). De plus, l'appareillage comprend un adsorbeur 9 (ayant la même construction que le filtre 8) contenant du charbon activé, de préférence une charge de Filtrasorb ; et un dispositif d'introduction du chlore avec un débit variable (type AVANCE). L'efficacité du procédé selon l'invention a été étudiée avec un appareillage de laboratoire correspondant au principe de 11 invention avec une charge de clinoptilolite. Les résultats suivants, qui prouvent l'efficaci- té du procédé, ont été obtenus. Selon les expériences à l'échelle du laboratoire, lorsque la concentration initiale en nitrates est de 430 mg/l, la concentration résiduelle en nitrates varie comme suit selon la durée du séjour dans le réacteur biologique Durée de séjour Concentration résiduelle (min) en nitrates (mg/I) 12 277 30 180 70 80 80 30 Donc, lorsque la concentration initiale en nitrates a la valeur indiquée ci-dessus, une durée de séjour de 90 minutes est nécessaire pour réduire la concentration en nitrates en dessous de la limite permise. L'influence de la concentration initiale en nitrates sur l'efficacité de l'élimination a ensuite été étudiée. Le temps d'écoulement a été fixé a 20 minutes pour qu'on obtienne des quantités mesurables de nitrates résiduels, même dans le cas de faibles concentrations. Les résultats suivants ont été obtenus dans cette expé- rience Concentration initiale Concentration résiduelle en nitrates (mg/l) en nitrates (mg/l) 360 187 214 97 143 55 72 20 Donc, lorsque la concentration en nitrates de l'eau de boisson est l'eaufixée à 150 mg/l - ce qui est la valeur la plus fréquente en Hongrie - une durée de séjour dans le réacteur biologique de 30 à 40 minutes est nécessaire pour réduire la concentration en nitrates en dessous de la limite permise. Ces résultats ont été comparés aux résultats obtenus dans l'installation expérimentale de dénitrification biologique de Dörtendorf (République Démocratique d'Allemagne). Dans cette installation expérimentale, les nitrates sont éliminés par des bactéries par dénitrification en conditions anaérobies. Dans la gamme des concentrations en nitrates de 44 à 130 mg/l, une durée de séjour de 50 à 1000 minutes est nécessaire pour éliminer 95 % des nitrates (L. Bulkay et G. Mucsy : Report on the study-tour and consultation in the German Democratic Republic, VITUKI, 1979). Selon le procédé de l'invention, 90 minutes suffisent pour éliminer 95 % des nitrates, méme dans le cas d'une concentration en nitrates triple. Les résultats expérimentaux montrent que la capacité du filtre biologique construit selon l'invention est efficace, même lorsque la charge en nitrates est nettement supérieure à celle étudiée dans les expériences et qu'elle dépend des durées de séjour et de la concentration initiale en nitrates. Dans le cas de l'élimination de l'ammoniac, lorsque la concentration en ammoniac de l'eau de boisson est fixée à 10 mg/l - ce qu'on peut considérer comme la va- leur maximale en Hongrie - la concentration de~l'ammo- niac résiduel en fonction de la durée de séjour de l'eau dans le réacteur présente les variations suivantes Durée de séjour Concentration résiduelle (min) en ammoniac OmgXl) 13 0,70 28 0,20 53 0,05 96 0,00 Donc, selon ces résultats, la concentration en ammoniac a été réduite en dessous de la limite permise pour l'eau de boisson (par exemple 1 mg/l) avec une durée de séjour de 13 minutes. Les effets avantageux de l'invention peuvent se r6- sumer comme suit - la capacité d'éliminer l'ammoniac et/ou les nitrates du procédé est élevée par rapport à d'autres procédé dés et le procédé permet d'éliminer des quantités importantes d'ammoniac et/ou de nitrates pour une exposition brève (durée de séjour) - les colts opératoires sont faibles - l'ammoniac et/ou les nitrates sont éliminés en conditions aérobies et il ne se forme donc pas de sub stances organiques réduites nuisibles a la santé - l'excès de champignons cultivés dans le réacteur peut être utilise comme source de protéines (par exemple pour l'alimentation des animaux). REVENDICATIONS 1. Procédé pour éliminer l'ammoniac et/ou les nitrates contenus dans les eaux superficielles et souterraines, qui comprend la mise en place d'une culture de champignons inférieurs vivants non pathogènes pour l'homme (par exemple Aspergillus niger, Aspergillus oryzae) dans un réacteur biologique (3) contenant une charge granulaire, le maintien desdits champignons dans des conditions aérobies avec des substances nutritives essentielles (par exemple une source de carbone, des phosphates) et, s'il est nécessaire, la décantation préliminaire de l'eau à purifier dans un décanteur préliminaire (1) puis son introduction dans le réacteur biologique (3), l'élimination des matières en suspension de l'eau débar rassée de 11 ammoniac et/ou des nitrates dans un décanteur (7), un filtre (8) et l'élimination des matières organiques dissoutes dans un adsorbeur (9) contenant du charbon activé et la désinfection (par exemple par chloration) de l'eau purifiée. 2. Procédé pour éliminer l'ammoniac et/ou les nitrates d'eaux résiduaires brutes et purifiées, qui comprend la mise en place d'une culture de champignons inférieurs vivants non pathogènes pour l'homme dans un réacteur biologique (3) contenant une charge granulaire, le maintien desdits champignons dans des conditions anaérobies, et, si nécessaire, la décantation préliminaire de l'eau résiduaire à purifier dans un décanteur préliminaire (1) puis son passage à travers le réacteur biologique (3), l'élimination des matières en suspension de l'eau résiduaire débarrassée de l'ammoniac et/ou des nitrates dans un décanteur (7) et la désinfection lorsqu'elle est nécessaire. 3. Un appareillage pour l'élimination de l'ammoniac et/ou des nitrates des eaux superficielles, qui comprend un décanteur préliminaire (1), un dispositif d'introduc tion de produits chimiques (2), un réacteur biologique (3) contenant une charge granulaire et muni d'un fond filtrant, un dispositif d'introduction de chlore gazeux (4), un autre dispositif d'introduction de produits chimiques (5), un floculateur (6), un décanteur secondaire (7), un filtre (8), un adsorbeur contenant du charbon activé (9) et une unité de désinfection (par exemple de chloration) (10). 4. Un appareillage pour l'élimination de l'ammoniac et/ou des nitrates des eaux superficielles (de profondeurs diverses), qui comprend un dispositif d'introduction de produits chimiques (2), un réacteur biologique (3) contenant une charge granulaire et muni d'un fond filtrant, un dispositif pour introduire du chlore gazeux (4), un autre dispositif d'introduction de produits chimiques (5), un floculateur (6), un décanteur (7), un filtre (8), un adsorbeur contenant du charbon activé (9) et une unité de désinfection (par exemple de chloration) (10). 5. Un appareillage pour éliminer l'ammoniac et/ou les nitrates d'eaux residuaires, qui comprend un réacteur biologique (3) contenant une charge granulaire et muni d'un fond filtrant, un décanteur (7) et une unité de désinfection (par exemple de chloration) (10).