Brevet FR2624847A1 — publié le 19890623

La présente invention a pour objet un procédé de traitement biologique d'une phase liquide par des cultures de micro-organismes et un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé qui peut s'appliquer au traitement des eaux. On connait de nombreux procédés de traitement biologique parmi lesquels - Les procédés biologiques mettant en jeu des micro-organismes en suspension dans un milieu aqueux, agité ou non. Le procédé type de cette catégorie est celui de l'épuration des eaux usées par boues activées. Dans ce procédé, les micro-organismes sont mis en suspension dans l'eau à traiter contenue dans des bassins munis de moyens d'agitation et d'aération. L'inconvénient majeur de ce procédé est la nécessité de séparer ultérieurement les micro organismes épurateurs de l'eau traitée, opération qui se fait généralement par décantation ou flottation. - Les procédés biologiques mettant en oeuvre une biomasse auto floculée maintenue en expansion ou fluidisation. Ils sont plus communément connus sous le nom de procédés à "lit de boue". L'eau à traiter est injectée en écoulement ascendant à travers un lit de boue constitué par des flocons de micro-organismes épurateurs spontanément agglomérés.Dans ce procédé, la vitesse de passage de l'eau à traiter doit être régulée avec précision car il faut éviter l'entrainement des flocons de biomasse hors du réacteur tout en maintenant le lit de boue en expansion ou fluidisation. I1 en résulte que la gamme de variation de débit est donc très limitée et que la conduite d'un tel procédé demande beaucoup de précautions, et cela d'autant plus que 1 'auto-floculation des micro-organismes peut être difficile à maftriser. - Les procédés biologiques mettant en oeuvre une biomasse fixée sur un support granulaire plus dense que la phase liquide et dont la mise en oeuvre se fait en lits expansés ou fluidisés par l'écoulement de la phase liquide. Les inconvénients présentés par ce procédé sont, d'une part, qu'un dispositif de lavage particulier extérieur au réacteur est nécessaire pour l'élimination de la biomasse en excès, d'autre part, que les conditions hydrodynamiques turbulentes nécessaires à l'expansion du lit entraient une destruction #rapide par attrition du matériau granulaire support ainsi que l'arrachement d'une partie de la biomasse préalablement fixée, celle-ci contaminant l'eau traitée par des matières solides en suspension.En outre, la vitesse de circulation de l'eau, importante pour maintenir le lit en expansion, nécessite que l'eau à traiter soit recyclée plusieurs fois pour obtenir un abaissement satisfaisant de sa pollution, ce qui est coûteux en énergie. - Les procédés biologiques utilisant une biomasse fixée sur un support granulaire, moins dense que la phase liquide, maintenu en lit expansé ou fluidisé par un écoulement descendant de l'eau à traiter. Il est nécessaire ici aussi d'avoir une vitesse de circulation d'eau importante pour maintenir le lit en expansion, ce qui implique un recyclage de l'eau traitée, consommateur d'énergie. - Les procédés biologiques utilisant une biomasse fixée sur support granulaire plus dense que la phase liquide et dont la mise en oeuvre se fait en lits fixes. Il s'agit de lits bactériens immergés à garnissage granulaire, par exemple ,sable, charbon actif, qui peuvent fonctionner soit de façon aérobie, de l'air étant introduit dans le lit par une tubulure ou la phase à traiter étant aérée avant d'être envoyée à travers le lit, soit de façon anaérobie. L'inconvénient présenté par ce procédé est que l'eau traitée contient souvent des matières en suspension qu'il faut éliminer ultérieurement. La présente invention a pour objet un procédé de traitement biologique d'une phase liquide mettant en jeu des micro-organismes, évitant les inconvénients des procédés connus cités ci-avant, permettant la biodégradation des polluants dissous contenus dans une phase liquide. Selon le procédé objet de l'invention, une phase liquide à traiter circulant en un écoulement descendant, traverse successivement un premier lit fixe immergé de matériau granulaire à l'extrémité inférieure duquel est insufflé un gaz d'oxygénation, puis un second, lit fixe immergé de matériau granulaire, non aéré, le premier lit étant disposé au-dessus du second lit dans un meme recipient. L'invention a aussi pour objet un dispositif à lit fixe permettant la mise en oeuvre dudit procédé. Ce dispositif est constitué par un récipient ouvert à sa partie supérieure dans lequel sont disposés successivement un premier lit de matériau granulaire reposant sur une grille, un second lit de matériau granulaire reposant sur un plancher, la hauteur du second lit étant inférieure à la distance séparant la grille du plancher, de telle sorte qu'une zone vide est ménagée entre l'extrémité supérieure du lit inférieur et la grille, une chambre étant ménagée à l'extrémité inférieure du récipient entre le plancher et le fond dudit récipient. L'invention sera décrite plus en détail en se référant à la figure unique représentant en coupe verticale un dispositif permettant la mise en oeuvre du-procedé, donné à titre d'exemple non limitatif. Un récipient 1 de forme cylindrique ouvert à sa partie supérieure et fermé à sa partie inférieure est rempli sur une partie de sa hauteur par un lit fixe 2 de matériau granulaire de densité supérieure à celle de la phase liquide à traiter, retenu par une grille 3 dont la dimension des mailles est inférieure aux dimensions des grains constituant le lit 2. A l'extrémité inférieure du lit 2 sont disposés contre la grille 3 des injecteurs 4 reliés par une tubulure 5 à un surpresseur 6 fournissant de l'air, de ltoxygene ou un mélange des deux. Un second lit fixe 7 de matériau granulaire de densité supérieure à à celle de la phase liquide à traiter occupe la partie inférieure du récipient 1. Il est soutenu par un plancher 8 équipé de buselures 9 disposées au dessus du plancher 8 permettant le passage vers le bas de la phase liquide ayant traversé le lit 7. La hauteur du lit 7 est inférieure à la distance séparant la grille 3 du plancher 8 de sorte que la zone 12 du récipient 1 comprise entre l'extrémité supérieure du lit 7 et la grille 3 est vide. Une tubulure 13 munie d'une vanne d'arrêt 14 débouche dans la zone 12, vide, du récipient 1. Entre le fond du récipient 1 et le plancher 8 est ménagée une chambre 15 dans laquelle débouchent une conduite 16, reliée à un surpresseur 17 fournissant de l'air sous pression, une canalisation 10 alimentée en eau de lavage par une pompe 11 et une tubulure 18 munie d'une vanne de décharge 19 pour l'évacuation de la phase liquide traitée. Enfin, le récipient 1 est muni à son extrémité supérieure, au dessus du niveau de la phase liquide à traiter, d'une tubulure 20 d'évacuation de trop-plein des eaux de lavage. Le lit 2 supérieur est constitué par des grains de schiste expansé dont la granulométrie est comprise entre 4 et 8 millimètres tandis c.- Le lit 7 inférieur est constitué par du sable dont la granulométrie est comprise entre 2 et 5 millimètres. La nature des constituants des lits 2 et 7 peut être différente de celle indiquée ici : on peut utiliser également, par exemple, de la chamotte ou de la pouzzolane. La granulométrie du matériau constituant le lit 2 supérieur est de préférence supérieure ou égale à celle du matériau constituant le lit 7 inférieur. Avec le dispositif décrit ci-avant, le procédé selon l'invention se déroule comme suit. Le lit 2 supérieur est ensemencé par une culture de microorganismes en suspension dans une phase liquide, par exemple une boue activée de station d'épuration ou des eaux usées urbaines, que l'on introduit d ws le récipient 1 par son extrémité ouverte supérieure et qui traverse celui-ci en un écoulement descendant jusqu'à ce que la phase liquide atteigne la chambre 15. De l'air, de l'oxygène ou un mélange des deux, est introduit à la base du lit 2 par les injecteurs 4, alimentés par la tubulure 5 et le surpresseur 6. Au bout d'un certain temps, le lit 2 est ensemencé en micro-organismes qui se fixent sur les grains constituant ledit lit pour constituer une biomasse épuratrice. La phase liquide à traiter est alors introduite par déversement à la partie supérieure du récipient 1 de façon à ce qu'une certaine hauteur de phase liquide soit maintenue au dessus du lit 2 supérieur pour créer une charge hydraulique. La phase liquide à traiter traverse successivement en un écoulement descendant le lit 2 supérieur, la zone 12 vide du récipient, le lit 7 inférieur et est recueillie dans la chambre 15 d'où elle s'écoule par la tubulure 18 dont la vanne 19 est ouverte. Le lit 2 est alimenté à sa base en air, oxygène, ou mélange des deux. Au cours de sa traversée du récipient 1, la phase liquide à traiter est soumise au traitement biologique aérobie par mise en contact avec les micro-organismes fixés sur les grains du lit 2, ce qui provoque un abattement de la pollution dissoute contenue dans ladite phase. La phase liquide ayant subi le traitement biologique lors de son passage travers le lit 2 traverse ensuite le second lit 7 qui n'est pas aéré. Ce second lit 7 a pour but de retenir les matières en suspension présentes dans la phase liquide en provenance du lit 2. Ces matières en suspension sont soit des matières en suspension présentes dans la phase liquide à traiter avant son introduction dans le lit 1, soit de la biomasse développpée dans le lit 2 et entraînée par le courant descendant de phase liquide. Lorsque, après un certain temps de fonctionnement, la biomasse en excès résultant du développement de la biomasse épuratrice et les matières en suspension arrêtées par les lits 2 et 7 créent une perte de charge qui devient trop importante, ce qui se traduit par une augmentation de la hauteur de phase liquide à traiter au dessus du lit supérieur 2, on procède à un lavage des lits 2 et 7. Pour ce faire, l'alimentation en phase liquide à traiter est arrêtée et la vanne de décharge 19 est fermée. De l'eau et de l'air de lavage sont introduits en écoulement ascendant au travers des lits 7 et 2 successivement, au moyen des buselures 9 qui distribuent l'eau et l'air de lavage fournis respectivement par la canalisation 10 et la conduite 16. L'eau et l'air de lavage sont introduits simultanément ou successivement, selon les séquences de la procédure de lavage.La biomasse en excès et les matières en suspension retenues sont déchargées à l'extérieur du récipient 1 par la tubulure 20. Les eaux de lavage du lit 7 inférieur, chargées des matières en suspension retenues dans ledit lit, peuvent être évacuées soit par la tubulure 20, soit par la tubulure 13 débouchant dans la zone 12 du récipient 1 située entre les lits 2 et 7. Lorsque la séquence de lavage est terminée, la vanne 19 est ouverte et l'alimentation en phase liquide à traiter reprend. Des essais effectués selon le procédé de l'invention avec le dispositif décrit ci-avant ont donné les résultats suivants, pour les conditions de fonctionnement ci-après définies - -phase liquide à traiter : eau de décanteur primaire d'une station d'épuration d'eaux usées urbaines - diamètre du récipient : 0,30 mètre - hauteur du lit 2 supérieur : 1,5 mètre - matériau granulaire du lit 2 : schiste expansé : 4 à 8 millimètres - hauteur du lit 7 inférieur : 0,5 mètre - matériau granulaire du lit 7 : sable : 2-5 millimètres - intervalles entre les deux lits : 0,3 mètre - charge hydraulique : 4 m3/m2/heure - air insuffle à la base du lit supérieur : 15 m3/m2/heure : DCO : DB05 : Matières en suspension : mg 02/1 : mg 02/1 : mg/l : eau brute à traiter : 131 : 73 : 44 : eau traitée : 40 : 14 4 : rendement % : 70 : 81 : 91 Les avantages présentés par le procédé objet de l'invention sont les suivants La séparation des deux lits permet de spécialiser chacun d'entre eux dans une seule fonction : le lit 2 supérieur est essentiel lement destiné à l'abattement de la pollution dissoute, tandis que le lit 7 inférieur effectue la filtration de la phase liquide provenant du lit supérieur. Le rendement dJépuration, constitué par l'abattement de la pollution dissoute et l'élimination des matières en suspension, est augmenté du fait que les matériaux constituant chacun des lits sont choisis pour obtenir les meilleures performances possibles de chacun desdits lits. La séparation des deux lits permet de procéder à leur lavage à des périodicités distinctes, la tubulure 13, débouchant dans le récipient 1 entre les lits 2 et 7 permettant l'évacuation des eaux de lavage du lit 7 inférieur. Le lit 2 supérieur étant aéré et le lit 7 inférieur ne l'étant pas, on peut procéder dans le même récipient à un traitement biologique aérobie suivi d'un traitement anaérobie ou anoxique, ce qui est particulièrement intéressant pour un traitement de nitrifi cation/dénitrification. La séparation des deux lits permet l'utilisation de matériaux granulaires de granulométries, de natures et de densités diffé rentes, ces matériaux n'étant pas mélangés et retrouvant leurs places respectives primitives après les séquences de lavage. REVENDICATIONS 1.- Procédé de traitement biologique d'une phase liquide circulant en un écoulement descendant, caractérisé en ce que la phase liquide à traiter traverse successivement un premier lit (2) fixe immergé de matériau granulaire à l'extrémité inférieure duquel est insufflé un gaz d'oxygénation, puis un second lit (2) fixe immergé de matériau granulaire, non aéré, le premier lit (2) étant disposé au dessus du second lit (7) dans un même récipient (1). 2.- Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le lit (2) et le lit (7) sont séparés par une zone (12) vide du récipient (1). 3.- Procédé selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que la phase liquide à traiter subit un traitement biologique aérobie dans le premier lit (2) fixe et une filtration dans le second lit (7) fixe. 4.- Procédé selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que la phase liquide à traiter subit un traitement biologique aérobie dans le premier lit (2) fixe et un traitement biologique anaérobie ou anoxique dans le second lit (7) fixe. 5.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la granulométrie du matériau granulaire constituant le lit (2) est supérieure ou égale a celle du matériau granulaire constituant le lit (7). 6.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en. ce que les matériaux granulaires constituant les lits.(2) et (7) sont de natures et de densités différentes. 7.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que la circulation de la phase liquide à traiter s'effectue à contre-courant du gaz d'oxygénation insufflé à la partie inférieure du lit (2). 8.- Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon llune quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce qu'il est constitué par un récipient (1) ouvert à sa partie supérieure, dans lequel sont disposés successivement un premier lit (2) de matériau granulaire reposant sur une grille (3), un second lit (7) de matériau granulaire reposant sur un plancher (8), la hauteur du second-lit (7) étant inférieure à la distance séparant la grille (3) du plancher (8), de telle sorte qu'une zone de vide est ménagée entre l'extrémité supérieure du lit inférieur (7) et la grille (3), une chambre (15) étant ménagée à l'extrémité inférieure du récipient entre le plancher (8) et le fond dudit récipient. 9.- Dispositif selon la revendication 8 caractérisé en ce qu'à l'extrémité inférieure du lit (2), contre la grille (3), sont disposés des injecteurs (4) reliés par une tubulure (5) à un surpresseur (6) fournissant un gaz d'oxygénation. 10.- Dispositif selon les revendications 8 et 9 caractérisé en ce que dans la zone (12) vide du récipient (1) débouche une tubulure (13) munie d'une vanne d'arrêt (14) pour l'évacuation des eaux de lavage du lit (7). 11.- Dispositif suivant l'une des revendications 8 à 10 caractérisé en ce que le plancher (8) est muni de buselures (9) permettant, d'une part, l'écoulement vers le bas de la phase liquide traitée sortant du lit (7), d'autre part, l'introduction vers le haut d'eau et d'air de lavage. 12.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 8 à 11 caractérisé en ce que dans la chambre (15) débouchent une canalisation (10) alimentée en eau de lavage par une pompe (11), une conduite (16) reliée à un surpresseur (17) fournissant de l'air sous pression et une tubulure (18) de décharge de la phase liquide traitée.