Brevet FR2604990A1 — publié le 19880415

La présente invention a trait au domaine de l'épuration, par voie biologique, des eaux résiduaires telles que notamment les eaux urbaines, les eaux industrielles et, éventuellement, les eaux de distribution à rendre potables. On sait que le traitement biologique, par exemple de l'eau, consiste à dégrader les impuretés organiques par l'action d'une biomasse épuratrice libre ou fixée, et renfermant des microorganis- mes divers: bactéries, levures, protozoaires, métazoaires... Dans le procédé à biomasse libre, par boues activées, il y a impossibili- té de concentrer en grand nombre les diverses espèces de microorga- nismes, peu décantables dans la mesure o la concentration de la biomasse est réalisée par décantation; le procédé est donc limité pour ce sui est de la charge applicable en DBO (demande biologique en oxygène) et DCO (demande chimique en oxygène). Dans un système à biomasse fixée, la concentration de la biomasse (avec les bactéries) se fait par l'accrochage sur un support. L'aptitude à la décantation n'est plus alors le critère primordial et cette technique possède un potentiel épuratoire bien supérieure à celui des procédés convention- nels. L'invention se situe dans ce domaine de l'épuration biologi- que à biomasse fixée, avantageusement avec un lit granulaire fixe dans un réacteur biologique jouant ainsi un r8le de filtration pour retenir les boues en excès produites à l'intérieur même du réacteur ainsi que les matières de suspension présentes dans l'effluent à traiter. Le réacteur est lavé périodiquement pour éliminer les boues en excès et les matières en suspension qui s'accumulent. Parmi les procédés les plus performants, basés sur ce princi- pe d'épuration à biomasse fixée, on rappelera ici le procédé dit "Biocarbone" (marque déposée) développé par la Demanderesse et qui consiste essentiellement à faire percoler de haut en bas l'eau à trai- ter à travers un lit submergé et fixe de matériau filtrant granulai- re avec une insufflation de courant gazeux oxygéné à un niveau inter- médiaire du lit, ceci dans des conditions bien déterminées et criti- ques de débit d'eau, débit de gaz oxygéné, nature et constitution du lit, quantité de pollution à éliminer...etc (voir par exemple les brevets français N 76.21246 publ. N 2 358 362 et N 78.30282 publ. N 2 439 749; ainsi que leurs correspondants à l'étranger). 2 2604990 L'un des buts de l'invention vise la mise au point d'un procédé, inspiré de la technique susvisée de filtre aéré dans la mas- se granuleuse, capable de traiter directement, après un simple dégril- lage une eau usée brute sans nécessité d'opération préliminaire de décantation primaire. Un autre but, visé par l'invention et parmi d'autres qui apparaitront au cours de la description, concernait la réalisation d'économies en gaz oxygéné d'aération et en volume d'eau nécessaire au lavage du filtre, tout en gardant la possibilité de traiter, avec une grande efficacité, des eaux contenant de fortes charges de pollu- tion, par exemple d'au moins 15 kg de DCO/m3 de lit/jour. Conformément à la caractéristique fondamentale du procédé selon l'invention, le traitement de purification est effectué dans un réacteur unique o l'eau à traiter traverse de bas en haut la masse de matériau granulaire (ou lit filtrant) selon deux régions successi- ves à savoir: une première zone d'anoxie ou zone d'anaérobie puis une seconde zone, au-dessus de la première, du type aérobie, o l'on injecte un gaz oxygéné pour l'aération. Dans la description qui suit, on entendra par zone "anaé- robie" une région dépourvue d'oxygène libre et qui sera alimentée par un affluent d'eau à traiter, dépourvue de nitrate, cette zone pouvant être dénommée: "acidogène" lorsque les molécules hydrocarbo- nées contenues dans l'affluent sont transformées en acides gras. La zone "anoxie" correspondra à une région dépourvue d'oxygène libre mais contenant des ions nitrates pouvant provenir de l'affluent d'eau à traiter ou d'un recyclage de cette dernière. Lorsqu'on examine de près l'art antérieur connu, on trou- ve, certes, des descriptions de procédés dans lesquels sont évoquées, souvent à titre de variantes, des mesures telles que: injection as- cendante d'eau dans un ou plusieurs lits fixes, introduction d'air en plusieurs points du lit, utilisation d'une zone anaérobie pour la filtration... mais, en aucun cas, on n'a suggéré ou décrit une technique combinant les paramètres et phases opératoires critiques telles qu'elles sont envisagées par la présente invention. Selon une réalisation avantageuse du procédé général, tel que défini cidessus, le lit de matériau granulaire est de type multi-couches dont les granulométries sont décroissantes du bas vers 3 2604990 le haut. Par exemple, à titre préférentiel mais non limitatif, le matériau filtrant peut comprendre, de bas en haut: une première cou- che de granulométrie 20 à 60 mm (par exemple cailloux) sur une hau- teur d'au moins 15 cm; une deuxième couche de granulométrie 6 à 10 mm sur une hauteur d'au moins 40 cm puis une couche supérieure de granulo- métrie 1 à 4 mm sur une hauteur d'au moins 50 cm. Outre le support précité de cailloux (ou autres) le produit filtrant peut être constitué, par exemple, par l'un des produits suivants ou leur mélange: shistes, argiles, charbon actif, sable, matériaux plastiques expansés, les den- sités de ces produits (ou d'une partie d'entre eux) pouvant être su- périeures ou inférieures à celles de l'eau. En pratique, les hauteurs moyennes des couches, par exemple lorsqu'on en utilise trois comme ci-dessus, varient le plus souvent: entre 25 et 40 cm pour la couche inférieure, entre 65 et 85 cm pour la couche intermédiaire et entre 60 cm et 2 m pour la couche supérieure fine, ceci pour un réacteur d'environ 3,5 m. Dans la gradation des diamètres de particules, telle que dé- finie ci-dessus, et d'une façon générale pour la bonne marche du pro- cédé, les interstices des grains choisis pour les couches inférieures évitent la pénétration de grains de la couche supérieure. En cours d'épuration en lit fixe, il ne se produit donc pas de mélange des couches de matériaux granulaires et l'on peut ainsi maintenir, selon un but essentiel de l'invention, deux populations biologiques superposées dont les effets différents, respectivement caractéristiques d'un milieu aérobie et d'un milieu anaérobie ou anoxie, deviennent alors complémentaires en matière d'épuration. Grâce à la préfiltration, selon l'invention, dans la zone basse anaérobie, dite également acidogène, o les matières organiques complexes de l'eau brute sont transformées en acides gras volatils, on obtient une série d'avantages parmi lesquels il faut mentionner en particulier: - une appréciable économie sur l'apport d'oxygène nécessaire à la filtration aérée dans la zone supérieure aérobie o se termine l'épuration; - un abattement important de la DCO d'origine, pouvant atteindre 40 à 50 % (en poids) ainsi qu'une bonne rétention des matières en sus- pension; - une cinétique d'oxydation biologique, dans la zone de filtration -- 4 2604990 aérée, sensiblement plus rapide, du fait de la transformation préa- lable des pollutions organiques dans la zone acidogène; d'o la possibilité, comme déjà dit ci-dessus, d'admettre des charges appli- quées de DCO très importantes, par exemple jusqu'à 30 kg/m3 de lit/jour, grâce à la superposition en un seul ouvrage, selon l'in- vention, des deux filtrations biologiques successives selon les deux zones bien distinctes. On notera, à cet égard, que la phase ultime de la méthani- sation (transformation des acides gras en méthane) par bactéries mé- thanogènes, classique dans un traitement simple en anaérobie, est ici remplacée, partiellement ou totalement, par une épuration aérobie et transformation des acides gras et molécules organiques plus simples en C02. Dans le cas o l'eau traitée, à la sortie de la phase aérobie, contient des ions nitrates que l'on désire éliminer, il suffit d'effec- tuer un recyclage d'une partie de l'eau traitée dans le bas du filtre (zone anoxie) pour assurer la dénitrification. Selon l'invention le gaz oxygéné, comme par exemple de l'air éventuellement enrichi en oxygèneest injecté au niveau que l'on a choisi comme limite supérieure de la zone anaérobie ou anoxie. En pratique, dans le cas susvisé des lits multicouches, le point d'injection peut correspondre sensiblement au tiers inférieur ou à la moitié de la hauteur totale du lit granulaire. Cet air, dont la vitesse est généralement maintenutentre 5 et 40 m/h lorsque le courant de fluide gazeux est continu, peut d'une part être réparti en plusieurs points dans la zone supérieure aérobie et d'autre part être injecté de façon intermittente, selon des cadences choisies par l'homme de l'art en fonction de la pollution de l'eau traitée. En pratique les quantités d'air varient généralement entre 10 et Nm3/h/kg de DBO appliquée. Par ailleurs, conformément à une variante utilisable dans le cadre du procédé de l'invention, on peut envoyer par intermittence du gaz oxygéné, juste avant la purge évacuant la biomasse en excès par le bas du filtre en vue de réduire, si désiré, le taux de phosphore dans l'effluent traité.S L'eau traitée selon l'invention est normalement évacuée par surverse en haut du réacteur. Toutefois, il est possible de la soutirer, au moins en partie, légèrement en-dessous du niveau supé- rieure du lit filtrant. 2604990 Le lavage des filtres s'effectue généralement par envoi si- multané d'air et eau (à vitesses de 25 à 100 m/h) puis un rinçage par l'eau seule à vitesse de 20 à 120 m/h. En outre, il est capital en cours de traitement, d'éliminer en partie la biomasse retenue dans les couches basses du filtre par des chasses programmées, de haut en bas, au moyen de l'eau contenue dans le lit filtrant de manière à maintenir optimale la quantité de biomasse active dans le filtre en fonction de la pollution contenue dans l'affluent à traiter. Dans certains cas, il peut être avantageux de prévoit l'a- jout d'une petite quantité d'agent coagulant à l'eau brute avant son introduction ascendante dans les deux zones de filtration. On peut à cet effet utiliser l'un quelconque des produits connus tels que sul- fate d'alumine, selferrique, polymères organiques...etc. D'autres détails et paramètres opératoires apparaîtront dans la description qui suit, relative à des exemples non limitatifs de réalisation et d'illustration d'un dispositif de mise en oeuvre. Exemples d'exécution: Pour les nombreux essais effectués dont quelques-unsillus- tratifs, seront décrits ci-après, on a utilisé un réacteur pilote de forme tubulaire de diamètre 45 cm et de 3,60 m environ de hauteur, dont le schéma simplifié est représenté sur la figure 1 (unique) annexée. Le lit granulaire de filtration était constitué successive- ment, de bas en haut, au-dessus de la grille-support 1 par: une pre- mière couche A de cailloux de 30 à 40 mm de diamètre et d'une hauteur d'environ 30 cm; une deuxième couche B de graviers de diamètre 6 à 8 mm et de hauteur 70 cm environ; et une.troisième couche C de shiste expansé de diamètre de grains:2,5 mm et de hauteur: 1 m environ. Le gaz oxygéné, ici de l'air, était envoyé par la raquette perforée 2 à un niveau déterminé comme limite supérieure de la zone anaérobie ou anoxie X, la zone aérobie Y étant bien entendu située au-dessus de la raquette 2. Dans le présent cas, l'injection d'air était effectuée à environ 1 mètre du fond 1 du réacteur, dans la partie inférieure de la troisième couche granulaire C. L'affluent d'eau à traiter était introduit de bas en haut du réacteur par la canalisation 3; l'eau épurée était évacuée par 6 2604990 surverse en 4 dans le haut du réacteur ou, selon une variante, par la canalisation 5 située juste au-dessous du niveau supérieur-:,de la couche C de shiste. L'eau de lavage du filtre était envoyée par la tu- bulure 6 alors que la canalisation 7 figure l'évacuation des chasses périodiques d'eau, de haut en bas du filtre, par l'eau contentedans ce dernier pour éliminer partiellement la biomasse. A) Selon une première série d'essais, on a traité une eau résiduaire urbaine (affluent arrivant par 3), dégrillée et désablée, de caractéristiques: DC0: 550 à 650 mg/l DBO: 200 à 250 mg/l MES: 250 à 350 mg/l (matières en suspension) Les conditions générales de fonctionnement étaient les suivan- tes: - vitesse d'eau ascendante à traiter: 2 m/h - vitesse de l'air injecté en 8: 6 à 9 m/h - charge appliquée: 14 kg DCO/m3 de matériau/jour - chasse d'eau (purge)' pendant 4 à 5 secondes de haut en bas du filtre, toutes les 6 heures environ, ce qui correspondait à environ 1 % de la production d'eau épurée; - lavage ascendant du filtre toutes les 48 h environ avec des vitesses d'air de 40 m/h et d'eau: 80 m/h environ, puis rinçage à l'eau à m/h environ, la durée totale des lavages et rinçages étant de 10 minutes environ. Un tel traitement d'eau brute, selon le procédé de l'inven- tion, a permis d'obtenir une eau épurée dont la DCO était tombée à mg/l alors que les M.E.S. chutaient à 25 mg/l. En variante, au cours de quelques essais, on a introduit une deuxième raquette d'air au niveau indiqué par la flèche 9 et constaté que l'on obtenait, dans certains cas, des résultats légère- ment améliorés. A titre illustratif, on a indiqué dans le tableau 1 ci-après les effets obtenus dans la seule zone anaérobie X au ecours de trai- tements effectués comme il est indiqué ci-avant; dans ce tableau, tous les chiffres indiqués correspondent à des mg/l. 7 2604990 Tableau 1 Eau brute Eau issue de la zone Eau brute anaérobie (ou acidogène) DCO totale 550 330 DCO dissoute 280 230 M.E.S. 260 90 N (de NH3) 42 45 P total 11 10,8 Orthophosphates 8,5 12,9 Acides gras volatils 12 55 Comme on peut le constater, dans la zone anaérobie et sans dépense énergétique d'aération, on retient déjà environ 40 % de la DCO, 65 % des M.E.S. (une décantation primaire en éliminant au mieux %); en outre, l'ammoniac augmente légèrement par minéralisation de l'azote organique, la part orthophosphate du phosphore total a augmenté; et, surtout, une part importante de la pollution organique a été transformée en acides gras volatils. B) Conformément à une autre série d'expérimentations, on a visé comme objectif le traitement, également,de l'azote de l'ammo- (B]). niac en deux temps à savoir: une nitrification simple du NH3 uis une élimination plus poussée de l'azote par dénitrification (B2). B1: On a opéré dans le réacteur illustré, avec le même type de lit. granulaire mais avec une hauteur de lit de 3 m (au lieu de 2 précédemment) dont la troisième couche fine de 2 m au lieu de 1 m. Les conditions générales étaient les mêmes que pour l'exemple 1 mais avec les données suivantes: - dans l'eau brute: DCO: 600 mg/l N (de NH3): 30 mg/l - charge appliquée en DCO: 10 kg/m3 de lit/jour - charge en N de NH3: 0,48 kg/m3 de lit/jour - vitesse de l'eau brute ascendante: 2 m/h - vitesse de l'air raquette (2): 17 m/h L'eau traitée présentait les caractéristiques cidessous: DCO: 60 mg/l N (de NH3): 5 mg/l N (de N03): 14 mg/l 8 2604990 B2: On a visé à ce stade une dénitrification poussée destinée à transformer les nitrates en azote gazeux. Pour ce faire, on a introduit une boucle de recyclage interne de l'eau traitée (illustrée par le pointillé Ri sur la figure annexée) entre l'évacuation par sur- verse 4 et l'alimentation inférieure du filtre 3. Le recyclage était pratiquement de 100 %, le débit d'eau traitée recyclée étant sensiblement égal au débit d'eau brute entrant de façon ascendante dans le lit filtant. Selon cette façon d'opérer, une partie des nitrates, rame- née en zone anoxie, était décomposée par les bactéries dénitrifiantes tout en provoquant l'élimination d'une partie de la DCO.Après équilibre, la vitesse de l'air inJecté selon le procédé a pu être ramené de 17 à 14 m/h, la.DCO chutait à 50 mg/l, l'azote de NO3 passait de 14 à 8 mg/l alors que l'azote de l'ammoniac restait sensiblement stable vers 5 mg/1. 9 2 2604990 REVENDICATIONS R E V E N D I C A T I O N S 1. Procédé pour la purification, par voie biologique, d'eaux résiduaires selon le principe du lit immergé et fixe de maté- riaux granulaire avec aération au moins partielle de la biomasse, caractérisé en ce que, dans un réacteur unique, on fait passer l'eau à traiter de bas en haut à travers une. masse de matériau granulaire comprenant tout d'abord une zone d'anoxie ou région d'anaérobie puis une seconde zone supérieure aérobie o l'on injecte un gaz oxygéné. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la masse de matériau granulaire est constituée par un filtre à plusieurs couches dont les granulométries sont décroissantes du bas vers le haut. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le filtre comprend, de bas en haut: une première couche de granulométrie entre 20 et 60 mm sur une hauteur d'au moins 15 cm puis une deuxième couche de granulométrie entre 6 et 10 mm sur une hauteur d'au moins 40 cm; et une couche supérieure de granulométrie entre 1 et 4 mm sur une hauteur d'au moins 50 cm. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le gaz oxygéné est injecté, de façon continue ou intermittente, en un ou plusieurs points, au-dessus de la couche anaérobie ou anoxie. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le matériau granulaire comprend, outre une couche inférieure de cailloux (20 à 40 cm) servant de support, au moins l'un des produits choisis dans le groupe constitué par: shis- tes, argiles, charbon actif, sable, matériaux plastiques expansés, les densités desdits produits pouvant être supérieures ou inférieures à celles de l'eau. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à , caractérisé en ce que l'eau traitée est évacuée du réacteur soit par surverse vers le haut soit légèrement au-dessous duniveau supé- rieur du lit. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que, en cours du traitement, la biomasse en excès est éliminée par chasse brutale, de haut en bas de l'eau con- 2604990 tenue dans le lit filtrant, pour obtenir un rapport optimum entre la pollution entrant (DCO) et la biomasse active. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que une partie de l'eau traitée est recyclée par le bas du filtre en vue d'assurer une dénitrification partielle en zone inférieure d'anaérobie. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que du gaz oxygéné est envoyé par intermittence en bas du filtre en vue de réduire le taux de phosphore de l'effluent traité. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'on ajoute à l'eau à traiter un agent coagu- lant, avant l'entrée ascendante dans le réacteur. - 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à lO, en ce que l'on procède périodiquement à des lavages par courants d'air et eau à des vitesses de 25 à 100 m/h puis à un rinçage final par l'eau épurée à vitesse de 20 à 120 m/h.