Brevet FR2639342A1 — publié le 19900525

SUPPORT DE FIXATION DES MICROORGANISMES DANS L'EPURATION ET LE TRAITEMENT DES EAUX ET PROCEDES ET REACTEURS D'EPURATION UTILISANT UN TEL SUPPORT La présente invention concerne les techniques d'épuratlon biologique de l'eau à cultures fixées Ces dernières années, les problèmes d'encombrement au sol ont conduit å rechercher des méthodes d'épuration intensive ayant, comme résultat, celui de restreindre la taille des installations. La technique de l'épuration par bactéries fixées semble répondre a ces critères. En effet, le procédé classique à boues activées nécessite un décanteur secondaire pour la clarification de l'effluent, ouvrage volumineux, dont l'exploitation n'est pas toujours aisée. La fixation des bactéries aérobies sur des supports présente certains avantages par rapport aux procédés A bactéries en suspension. Des performances plus élevées sont obtenues par l'augmentation de la biomasse dans le réacteur. Un éventuel effet de filtration a, comme résultat, la suppression du décanteur secondaire L'accrochage des microorganismes contribue a leur vieillissement et å l'apparition de bactéries autotrophes, nitrifiantes, pour des temps de séjour de l'effluent relativement courts. Autrement dit, l'accroissement des performances de l'épuration qui est recherché implique corrélativement l'augmentation de la concentration de la biomasse dans le système. Cette condition est difficile å remplir dans le cas des bactéries libres, puisque l'efficacité du traitement dépend aussi du bon fonctionnement du clarificateur secondaire. Les procédés å bactéries fixées s'affranchissement de ce facteur limitant, car - la biomasse est fixée sur un matériau support, ce qui permet une grande concentration de celle-ci - l'aptitude de la biomasse à la décantation n'est plus le facteur limitant, puisque le biofilm décroché possède une bonne décantabilité. Ainsi, le système à bactéries fixées possède un potentiel épurateur supérieur à celui des systNemes conventionnels. Tandis qu'en boues activées, la charge volumique appliquée ne peut pratiquement pas dépasser 1,5 kg DD05Zm3 j Fonctionnant suivant le principe de la biomasse fixée, les lits immergés granulaires, comme supports de la biomasse cellulaire, constitués, pai exemple, par des sables, des grains d'argile calcinée ou de schiste expansé, des billes ou anneaux de matière plastique, de terre cuite vitrifiée, etc. assurent, par biofiltration, une performance nettement supérieure aux boues activées, permettant en même temps, comme indiqué ci-dessus, de s'affranchir du décanteur secondaire. Toutefois, les lits immergés granulaires présentent certaines contraintes techniques dues à leur constitution - des lavages fréquents sont nécessaires en raison du colmatage du support et de tels lavages sont mal aisés; - le decolmatage du massif épurateur impose une puissance installée importante ; et - la spécificité des matériaux grenus utilisés engendre des exigences spéciales pour leur mise en oeuvre, par exemple, posant des problèmes de manipulation lors de leur mise en place dans les bioréacteurs. Pour tenter de remédier aux inconvénients de ces lits granulaires, on a proposé d'utiliser, comme support pour les lits bactériens, des supports rigides, gaufrés, ondulés, enroulés ou des clayonnages de feuilles ondulées ou des tubes cloisonnés ou des briques creuses b canaux verticaux, tous ces supports étant réalisés en matière synthétique, ou encore des toiles, comme des toiles de lin, ou bien des toiles en fibres de verre ou en une matière synthétique telle que le poly(chlorure de vinyle) (demande de brevet français n 2 531 099), ou des garnissages textiles de type fourrure Les supports rigides, gaufrés ou similaires, en matière plastique présentent les inconvénients de se charger rapidement en biomasse, ce qui nécessite des lavages fréquents. Quand la possibilié de lavage n'existe pas, la décantation secondaire est indispensable, un autocurage devant survenir et la croissance de la biomasse devant être compensée par le décrochage du biofilm devenu trop épais, ce qui n'est pas toujours réalisé dans la pratique. Quant aux supports textiles, ils présentent l'inconvénient de devoir être maintenus en place dans le fluide å traiter, tout en opposant peu de résistance & l'écoulement du fluide dans lequel ils sont placés, comme en témoignent la demande de brevet français précitée n 2 565 223, ainsi que la demande de brevet français n 2 587 918. De plus, tous les supports bidimensionnels de type tissus ou voiles ne conduisent pas non plus å un bon rendement volumique du procédé d'épuration.En ce qui concerne les supports de type "pompons", s'ils sont efficaces dans la mesure où ils permettent un lavage facile par turbulence, (air ou eau), ils n'assurent pas non plus un bon rendement volumique du procédé d'épuration, et, par ailleurs, leur mise en place au sein du réacteur demande beaucoup de temps, ce qui est incompatible avec une réalisation rentable & l'échelle industrielle. En pratique, les stations d'épuration par biomasse fixée fonctionnent généralement avec des supports granulaires du type argile ou sable, les support s rigides gaufrés ou les supports textiles bidimentionnels & dépôts surfaciques restant très peu utilisés, car, en fin de compte, ils ne se prêtent pas bien å une mise en oeuvre industrielle. Ainsi, le besoin de surmonter les inconvénients des supports granulaires subsiste toujours, sans pour autant devoir se trouver en présence des inconvénients des supports rigides gaufrEs ou autres, ou des supports textiles bidimensionnels. La présente invention apporte une solution aux problèmes posés et propose, & cet effet, l'utilisation d'un matériau géotextile tridimensionnel, léger, constitué par un enchevêtrement sinueux de fibres synthétiques, formant des boucles relativement irrégulières, orientées dans tous les sens, et étant fixées par points, pour présenter une texture appropriée pour une mise en place aisée dans le bioréacteur, comme cela sera décrit ci-après, et, également, pour une bonne tenue mécanique, indispensable å la conduite de l'épuration. Du fait de l'enchevêtrement particulier de ces fibres, ce matériau comporte une proportion de vides très importante, offrant par la autant de "niches" qui favorisent le développement intensif de microorganismes ou cellules, assurant un bon rendement volumique du procédé. Avec un tel développement intensif des microorganismes, on pouvait du reste craindre un colmatage irréversible d'un tel support, mais, de façon surprenante, il n'en a rien été. Ces supports présentent une capacité de rétention beaucoup plus importante que les supports bidimensionnels de la technique antérieure, mais toujours d'une façon telle qu'il n'y a pas de colmatage, la saturation du support s'observant par une fuite de la biomasse en excès, auquel cas la qualité de l'eau en sortie du réacteur se dégrade.C'est alors qu'il est nécessaire de procéder à un lavage du support, un tel lavage, peu fréquent du fait de la capacité de charge du support, s'effectuant alors dans des conditions aisées, ne nécessitant pas la puissance importante du décolmatage des lits granulaires, du fait qu'une partie de la biomasse s'est détachée d' elle-même. En effet, la colonisation du support selon l'invention par la biomasse s'effectue à partir de nombreux points d'accrochage dans les espaces interfibres, en engendrant une surface de la biomasse avec le liquide & traiter, favorisant la colonisation rapide par des pontages au hasard, par un accrochage dans les nombreux "vides" et par des accrochages de fibres muqueuses en traînées, etc, permettant néanmoins le passage de l'eau à tous moments. Au moment de la saturation, le décrochement de la biomasse fixée, comme on vient de l'indiquer, dans de grands espaces de vides, intéresse une grande partie de cette biomasse, si bien que la quantité de biomasse fixée, devant être éliminée par le lavage, reste relativement faible, exigeant une puissance de compresseur moins importante pour effectuer ce lavage. La présente invention a donc d'abord pour objet un support de fixation de microorganismes utilisés en épuration et traitement des eaux, caractérisé par le fait qu'il est formé de fibres en matiére synthétique, enchevêtrées en boucles irrégulières et sinueuses pour constituer un élément tridimensionnel ayant un taux de vide compris entre environ 85 et 99,5%, ces boucles étant fixées entre elles en certains de leurs points de croisement pour constituer une structure ouverte, suffisamment souple pour pouvoir former des garnissages de configurations adaptées à la géométrie des bioréacteurs d'épuration et aux procédés d'épuration mis en oeuvre, mais suffisamment rigide pour conserver sa forme, ladite structure présentant une résistance à la traction suffisante pour supporter le poids de la biomasse accrochée sur elle dans les conditions de mise en oeuvre des procédés d'épuration. Le taux de vide est le pourcentage du volume apparent du matériau, non occupe par les fibres. Le taux de vide de l'élément tridimensionnel selon l'invention est, de préférence, compris entre environ 95 et 99%. Des matériaux de ce type sont déjà connus comme matériaux géotextiles dans le domaine du batiment, des aménagements routiers et des infrastructures ou ils jouent un rôle hydraulique, de filtration ou drainage, mécanique, de séparation ou de renfort, ou les deux, comme dans les systèmes anti-érosifs. A ce jour, à la connaissance des demandeurs, ils n'avaient jamais été appliqués en assainissement des eaux. Le support selon l'invention est constitué de fibres ou filaments de matière synthétique, comme le polyamide, le polyester ou le polyéthylbne, ces fibres ayant généralement un diamètre compris entre 0,2 et 1,5 mm. Il présente avantageusement une surface volumique compris entre environ 50 m2/m3 et 800 m2Jm3. En particulier, un tel support se présente sous la forme d'une nappe ouverte ayant une épaisseur comprise entre 5 et 500 mm. La présente invention porte également sur un réacteur d'épuration biologique comportant un garnissage par un support tel qu'il vient entre défini. Ce support constituant le garnissage peut être constitué de nappes parallèles entre elles, accolées ettou disposées avec un espacement entre elles, ou encore se trouvant en appui réciproque pour autant que les paramètres de toux de vide et de résistance å la traction du garnissage résultant répondent encore aux définitions générales données ci-dessus ; ce support peut également être constitué d'au moins une nappe enroulée suivant une spirale, dont les spires ne sont pas jointives, ou bien sont jointives, ou encore se trouvent en appui réciproque pour autant que les paramètres de taux de vide et de résistance & la traction du garnissage résultant répondent encore aux définitions données ci-dessus ; ou encore le support constituant le garnissage peut être constitué de nappes ou de morceaux de nappe pliés de façon arbitraire ou non, pour constituer un bourrage de l'espace intérieur du réacteur. Apparaît ainsi la facilité de mise en oeuvre des supports selon l'invention, par rapport aux lits granulaires et par rapport aux supports bidimensionnels de la technique antérieure. De plus, on comprendra facilement que ce support peut être remplacé très facilement en cas de besoin et qu'il ne pose pas non plus de problème de transport du fait de sa légèreté. La présente invention porte enfin sur un procédé de traitement ou d'épuration d'eaux résiduaires par microorganismes fixés, caractérisé par le fait que l'on fait passer dans un réacteur tel que défini ci-dessus, de l'eau décantée primaire, jusqu'à une saturation du support en biomasse, laquelle est observée par un relargage de la biomasse accumulée dans l'eau épurée, et l'on procède alors a un lavage dudit support, les cycles épuration-lavage étant ensuite répétés. Avec les supports selon l'invention, la phase épuration entre deux lavages peut durer de 2 å 15 jours, en satisfaisant une qualité d'effluent de niveau e selon les normes françaises. Conformément å un premier mode de réalisation du procédé de l'invention, on travaille avec un support totalement immergé dans l'eau. D'une façon avantageuse, on conduit simultanément å l'épuration une aération de l'espace interne du réacteur. On peut travailler avec un flux d'eau å épurer ascendant ou descendant. Conformément à un second mode de réalisation on ait ruisseler l'eau å épurer sur le support, éventuellement avec aération forcée. Selon l'invention, on peut également travailler en anaérobiose. La présente invention concerne également un procédé de traitement ou d'épuration d'eaux résiduaires par microorganismes en suspension ou boues activées, caractérisé par le fait qu'on met en place, dans un bassin d'aération de boues activées, -un support tel que défini ci-dessus. . En effet, un tel support peut être utilisé pour la réabilitation des stations d'épuration déjà existantes et fonctionnant suivant le principe connu des boues activées ou biomasse en suspension. Le support selon l'invention fournit dans ce cas un matériau pour la fixation des microorganismes; on augmente la concentration de la biomasse dans le bassin d'aération, et, en conséquence, les performances épuratoires du procédé d'épuration connu par boues activées. Pour mieux illustrer l'objet de la présente invention, on en décrira plus en détail ci-après, å titre d'exemple indicatif et non limitatif, un mode de réalisation en référence au dessin annexé. Sur ce dessin - la figure 1 est une vue partielle de dessus d'un support conforme a la présente invention, se présentant sous la forme d'une nappe géotextile tridimensionnelle; - la figure 2 est une vue partielle de coté ou en coupe ] de la nappe représentée sur la figure 1 - la figure 3 représente, à plus grande échelle et de façon schématique, un fragment de la nappe tridimensionnelle des figures 1 et 2, en début de colonisation par la biomasse - la figure 4 est une représentation schématique d'une installation d'épuration biologique d'eaux résiduaires utilisant des microorganismes fixés - la figure 5 est, à échelle agrandie, une vue en perspective du dispositif d'aération par bullage d'air installé à la partie inférieure de la colonne-réacteur d'épuration de l'installation de la figure 4 - la figure 6 représente, en perspective et å plus grande échelle, la partie supérieure de cette colonne-réacteur d'épuration, avec un arrachement montrant schématique ment la disposition des nappes du matériau-support des figures l et 2 ; et - la figure 7 représente schématiquement un arangement de la nappe géotextile des figures 1 et 2, pour servir de garnissage à une colonne-réacteur d'épuration tubulaire Si l'on se réfère aux figures 1 et 2, on voit que l'on a désigné par 1 une nappe tridimensionnelle ouverte, constituée par un enchevêtrement de fibres ou filaments synthétiques 2, filés à l'état fondu, en polyamide 6, les boucles irrégulières et sinueuses ainsi formées et orientées dans tous les sens étant fixées par fusion en différents point de recoupement 3, dont certains figurent sur le dessin Les caractéristiques principales de cette nappe 1, disponibles auprès de la Société ENKA France sous la marque Enkamat sont les suivantes - densité : environ 25 kg/m ; - résistance à la traction (selon DIN 53 857) : 2,0 kN/m. La figure 3 illustre les différentes possibilités qu'a la biomasse de se fixer en développant des biofilms dans les trois dimensions. A titre d'exemple, le chiffre de référence 4a désigne un biofilm fixé dans un angle formé par des fibres ou filaments 2, le chiffre de référence 4b désigne un biofilm fixé en pontage entre deux éléments de fibres 2 ; et le chiffre de référence 4c illustre un biofilm entourant une portion de fibre 2. On comprend donc que la colonisation des microorganismes sur ce support 1, avec les nombreux points d'accrochage initiaux du support 1 lui-même, puis ceux créés en cours de colonisation par les microorganismes eux-mêmes, est une colonisation intensive, qui assure un excellent rendement volumique du procédé. Si l'on se réfère maintenant å la Figure 4, on voit que l'on a désigné par 5, une colonne-réacteur d'épuration biologique, de section carrée de 0,48 m de côté 3 et de 4 m de hauteur. Son volume utile est de 0,75 m et sa hauteur utile, de 3-m. Elle est réalisée en plusieurs parties assemblées suivant des plans horizontaux et elle comporte des hublots permettant d'avoir accès au matériau de garnissage qui est décrit ci-après. Des piquages, répartis sur différentes hauteurs, servent aux prélèvements et aux mesures de pression. Les piquages de prélèvements sont des tuyaux qui arrivent jusqu'au centre de la section transversale, afin d'obtenir une meilleure représentativité des échantillons. A la partie supérieure de la colonne 5, on a suspendu verticalement vingt-quatre nappes 1, qui ont la structure décrite ci-dessus et dont deux seulement sont représentées sur la Figure 6, pour simplifier le dessin. Ces nappes 1 présentent une longueur d'environ 6 m et une largeur légèrement inférieure au côté de la colonne d'épuration 5, et elles sont disposees en étant chacune pliée en deux en passant sur des tiges horizontales 6, fixées par tout moyen à la colonne 5, au voisinage de et parallèlement å la paroi supérieure Sa de cette colonne 5. L'eau décantée primaire 7 arrive dans un réservoir 8 équipé d'un trop-plein 9 et d'un flotteur 10. Du réservoir 8, elle est adressée, par la canalisation il å une pompe Moineau 12, d'où elle repart, en suivant le trajet 13 marqué par les flèches de moyenne dimension, jusqu'à la partie supérieure de la colonne 5. Le débit est de l'ordre de 0,5-3 Nm3/h. La colonne 5 fonctionne donc en flux descendant. Un refoulement de l'eau décantée primaire est prévu en 14, vers le réservoir 8. A la partie inférieure de la colonne 5, est installé un dispositif 15 d'aération par bullage, représenté en perspective sur la Figure 5, ce dispositif 15 étant alimenté en air par une canalisation 16 dans laquelle passe l'air (petites flèches) fourni par un compresseur 17, adapté pour réaliser une aération du contenu du réacteur 5 pendant l'épuration. Le débit d'air pour l'aération est de l'ordre de 0,3 à 3 Nm /h. Le dispositif 15 est constitué par une rampe horizontale 15a en poly(chlorure de vinyle), alimentant cinq branches 15b, horizontales, perpendiculaires å ladite rampe 15a et disposées au-dessus de cette dernière, les branches 15b étant fermées & leurs extrémités et comportant, chacune, cinq trous 15c de diamètre 1,2 mm; les vingt-cinq trous.15# se trouvant symétriquement répartis dans la section carrée de la colonne 5. L'installation représentée sur la Figure 4 comporte également un compresseur 18 adapté pour adresser de l'air par la branche 19, puis par la canalisation 16, dans le dispositif 15, en vue du lavage, à un débit pouvant être de 21 Nm3/h pendant quelques secondes ou être inférieur à 10 Nm3/h pendant quelques minutes. Ce lavage est effectué simultanément avec un débit d'eau courante 20 allant jusqu'à 15 m3/h Sur la représentation schématique de la Figure 4, on a indiqué par le chiffre de référence 27, les différents rotamètres qui servent & la mesure des débits, les vannes principales de l'installation étant, quant à elles, schématisées de la façon habituelle. Pour réaliser l'épuration, l'eau décantée primaire 7 est adressée à la colonne 5, elle traverse cette colonne et elle sort par le trop-plein 25. En meme temps, la colonne 5 est aérée ; pour cela, le compresseur 17 est mis en marche avec le débit indiqué ci-dessus. Ce cycle dure de 2 å 15 jours. La biomasse fixée sur les nappes 1 augmente peu å peu pour s'y accumuler, la fin du temps d'épuration étant définie par une saturation de cette biomasse. Les nappes 1 ne peuvent alors pratiquement plus retenir avec la même facilité la biomasse et l'on observe, dans l'eau sortant en 25, la présence de microorganismes indésirés Un lavage est effectué alors à co-courant d'air et d'eau par les canalisations respectivement 19-16 et 21.Ce lavage peut comporter les phases suivantes temps opération O minute envoi d'air 0,5 minute envoi d'eau 14 m Sh 1 minute arrêt de l'air 2,5 minutes arrêt de.l'eau 4 minutes fin du cycle que l'on répète alors 10 fois. Après le lavage, on recommence l'étape d'épuration, la biomasse résiduaire facilitant le redémarrage rapide de l'épuration. Ce procédé a ainsi fonctionné par cycles de 2 & 15 jours entrecoupés de lavages air-eau. La capacité maximale, mesurée en charge volumique appliquée, est d'environ 7 kg DCO/m3oj pour une durée de fonctionnement de 3-4 jours, satisfaisant le niveau de rejet e norme française : matières en suspension MES de 30 mg/l DB05 : 30 mg/l, et DCO : 90 mg/l > . Sur la Figure 7, on a illustré une nappe 1 enroulée sur elle-meme et pouvant alors être introduite sans difficultés dans un réacteur d'épuration cylindrique. Il est bien entendu que les modes de réalisation ci-dessus décrits ne sont aucunement limitatifs et pourront donner lieu A toutes modifications désirables sans sortir pour cela du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 - Support de fixation de microorganismes utilisés en épuration et traitement dés eaux, caractérisé par le fait qu'il est formé de fibres en matière synthétique, enchevêtrées en boucles irrégulières et sinueuses pour constituer un élément tridimensionnel (1) ayant un taux de vide compris entre 85 et 99,5%, ces boucles étant fixées entre elles en certains de leurs points de croisement 2 - Support selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le taux de vide de l'élément tridimensionnel est compris entre 95 et 99%. 3 - Support selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'il est constitué de fibres (2) de polyamide, de polyester ou de polypropylène. 4 - Support selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'il présente une surface volumique compris entre 50 m2/m3 et 800 m2/m3 5 - Support selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'il se présente en nappes ouvertes (1)d'une épaisseur@comprise entre 5 et 500 mm. 6 - Réacteur d'épuration biologique comportant un garnissage par un support tel que défini & l'une des revendications 1 & a 5. 7 - Réacteur selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le support constituant le garnissage est constitué de nappes (1 > parallèles entre elles, accolées et/ou disposées avec un espacement entre elles, ou encore se trouvant en appui réciproque pour autant que les paramètres ce taux de vide et de résistance & la traction du garnissage resultant répondent encore aux définitions données à la revendication 1. 8 - Réacteur selon la revendication 6, notamment de forme cylindrique, caractérisé par le fait que le support constituant le garnissage est constitué par au moins une nappe enroulée suivant une spirale, dont les spires ne sont pas jointives, ou bien sont jointives, ou encore se trouvent en appui réciproque pour autant que les paramètres de taux de vide et de résistance à la traction du garnissage résultant répondent encore aux définitions données é la revendication 1. 9 - Réacteur selon la revendication 6t caractérisé par le fait que le support constituant le garnissage est constitué de nappes (1) ou morceaux de nappe pliés de façon arbitraire ou non, afin de constituer un bourrage de l'espace intérieur du réacteur (5). 10 - Procédé de traitement ou d'épuration d'eaux résiduaires par microorganisnies fixés, caractérisé par le fait qu'on fait passer dans un réacteur (5) tel que défini & l'une des revendications 6 & 9, de l'eau décantée primaire, Jusqu't une saturation du support en biomasse, cette saturation étant observée par un relargage de la biomasse accumulée dans l'eau épurée, et qu'on procède alors à un lavage du support, les cycles épuration-lavage étant alors répétés. 11 - Procédé selon la revendication 10, caractérisé par le fait que l'on travaille avec un support totalement immergé dans l'eau. 12 - Procédé selon la revendication 11, caractérisé par le fait qu'on conduit simultanément à l'épuration une aération de l'espace interne du réacteur. 13 - Procédé selon l'une des revendications 11 et 12, caractérisé par le fait qu'on travaille avec un flux d'eau à épurer ascendant ou descendant, l'aération s'effectuant notamment å contre-courant de ce flux. 14 - Procédé selon la revendication 10, caractérisé par le fait qu'on fait ruisseler l'eau à épurer sur le support, éventuellement avec aération forcée. 15 - Procédé selon la revendication 10, caractérisé par le fait qu'on travaille en anaérobiose. 16 - Procédé de traitement ou d'épuration d'eaux résiduaires par microorganismes en suspension ou boues activées, caractérisé par le fait qu'on met en place, dans un bassin d'aération de boues activées, un support tel que défini à lune des revendications 1 à 6.