Brevet FR2654093A1 — publié le 19910510

La présente invention concerne une installation de traitement des eaux domestiques usées déjà prétraitées et clarifiées. Le prétraitement peut être effectué par des boues activées à recyclage ou équivalent. La clarification consiste à faire décanter et/ou faire flotter, éventuellement à l'aide d'un floculant, les matières contenues dans les eaux et susceptibles d'être ainsi éliminées. Les eaux ainsi prétraitées et clarifiées contiennent encore une concentration élevée en germes témoins de contamination fécale, en matières en suspension (MES) et en corps oxydable traduite par une forte demande chimique en oxygène (DCO). La réintégration de ces eaux prétraitées dans les milieux naturels peut causer des problèmes de pollution, notamment si ces milieux naturels récepteurs sont fragiles comme par exemple une zone de baignade, une zone à proximité d'habitats, un cours d'eau ou autres. Une épuration d'eau efficace est donc nécessaire lorsqu'un risque de contamination existe ou lorsque la réutilisation des eaux traitées est demandée. L'infiltration des eaux prétraitées dans le sol est un usage connu suivant lequel les eaux à traiter sont répandues sur le sol en place ou sur des matériaux rapportés constituant un massif filtrant. L'usage de colonnes d'infiltration à massif filtrant en sable est également connu. Ce massif filtrant en sable peut être constitué d'une seule couche d'une granulométrie donnée ou de plusieurs couches de granulométries différentes. L'infiltration prédécrite peut être valable si: la quantité d'air rencontrée, pendant le passage dans le massif filtrant, par les eaux à traiter est suffisante pour effectuer l'oxydation des produits d'azotes oxydables et des matières organiques dégradables contenus dans ces eaux, la vitesse de passage de l'eau à travers le massif filtrant est suffisamment lente, autrement dit, le temps de passage est suffisamment long. Les pores du sable, habituellement utilisés dans ce domaine, représentent de 15 à 30 % du volume du dit sable, ceci rend ces pores rapidement occupées ou quasi-occupées par les eaux à traiter et diminue par conséquent l'espace disponible pour l'air nécessaire pour effectuer les différentes oxydations. L'usage d'un massif filtrant composé de plusieurs couches fait varier uniquement les surfaces volumiques des particules et non pas le vide interstitiel: pour un volume donné de sable, la somme des surfaces de particules augmente lorsque la taille de ces particules diminue mais le rapport entre le vide interstitiel et le volume du sable reste constant. Pour obtenir un traitement efficace des eaux usées par l'infiltration à travers du sable, il est nécessaire que les quantités d'eaux traitées soient faibles par rapport à la surface d'épandage disponible. Ces quantités d'eaux sont de l'ordre d'une dizaine de centimètres par jour comme c'est la pratique dans certaines régions des Etats-Unis d'Amérique. Les tentatives de traitement de quantités des eaux usées par infiltration à travers le sable (colonne ou sol) dépassant quelques dizaines de centimètres ont conduit à produire des eaux traitées encore polluantes, ceci en ce qui concerne soit les germes pathogènes soit les produits oxydables d'azote notamment les sels d'amoniaque. Un but de la présente invention est de proposer une installation de traitement des eaux usées déjà prétraitées et clarifiées produisant des eaux traitées presque exemptes de sel d'amoniaque et dont la teneur en germes pathogènes répond aux normes de baignade. Un autre but de la présente invention est de proposer une installation d'épuration compacte et à haut rendement de traitement. Les eaux traitées à l'aide de l'installation faisant l'objet de la présente invention peuvent être utilisées sans risque de pollution pour l'irrigation à proximité immédiate de l'habitat. Un autre but de la présente invention est d'effectuer un traitement efficace des eaux usées tout en occupant une surface réduite. La station de traitement des eaux usées selon l'invention fait partie de celles comportant: a) un colonne contenant un massif filtrant de particules nondégradables biologiquement stables chimiquement et non-altérables physiquement, les eaux à traiter traversant par gravité le dit massif filtrant, la colonne étant constituée par des parois latérales et par un fond perméable par lequel les eaux traitées sont récupérées, b) un moyen distributeur assurant l'arrivée des eaux à traiter à la dite colonne, Suivant l'invention, l'installation se caractérise essentiel- lement en ce que: le massif filtrant est composé des deux couches: a) une couche inférieure légère dont les particules ont une même nature et une granulométrie de 0,05 à 5 mm, une densité inférieure à 100 kg/m 3, cette couche ayant un vide interstitiel représentant jusqu'à 85 % de son volume, b) une couche supérieure dense dont les particules ont une même nature et une granulométrie de 0,05 à 5 mm, une densité supérieure à 1000 kg/m 3, cette couche ayant un vide interstitiel représentant jusqu'à 35 % de son volume, le moyen distributeur contrôle le débit d'arrivée des eaux prétraitées de telle sorte que ces eaux, traversant par gravité, dans l'ordre, la couche supérieure puis la couche inférieure, effectuent au moins la fin du passage dans la couche supérieure dans un milieu non saturé, c'est-à-dire, dans un milieu triphasique solide-liquide-gaz, et en ce que: des moyens d'aération founissent latéralement l'air dans la couche légère inférieure. Suivant une autre caractéristique de l'installation faisant l'objet de la présente invention, les moyens d'aération fournissant latéralement l'air dans la couche légère inférieure sont constitués par: des parois latérales perméables de la colonne et/ou, des conduite(s) d'aération s'étendant dans le massif filtrant et dont les parois sont perméables vis- à-vis de la dite couche inférieure, l'intérieur de ce(s) conduite(s) communique soit avec l'atmosphère soit avec une source d'air forcé. Suivant une autre caractéristique de l'invention, les parois latérales ont une zone supérieure étanche vis-à-vis de laquelle se trouve au moins partiellement la couche supérieure dense et une zone perméable, située au dessous de la dite zone, supérieure vis-à-vis de laquelle se trouve au moins partiellement la couche inférieure légère. Suivant une autre caractéristique, les parois latérales de la colonne sont constituées de trois zones: une zone supérieure étanche vis-à-vis de laquelle se trouve, au moins partiellement, la couche supérieure dense, une zone intermédiaire perméable vis-à-vis de laquelle se trouve patiellement la couche inférieure légère permettant ainsi la communication de l'air à la dite couche, une zone inférieure étanche. Suivant encore une autre caractéristique, la matière des particules de la couche inférieure légère est une matière à dominante siliceuse. Suivant encore une autre caractéristique la matière à dominante siliceuse est la perlite expansée. Suivant encore une autre caractéristique, les particules de la couche dense supérieure sont en grains de sable. D'autres caractéristiques et avantages seront compris à la lecture de la description détaillée ci-dessous accompagnée par des dessins dans lesquels: la figure 1 est un schéma représentant une forme de réali- sation de l'installation selon l'invention dans laquelle la colonne a une forme cylindrique, la figure 2 est un schéma qui représente une deuxième forme de réalisation de l'installation dans laquelle la colonne a une forme de couronne à double paroi cylindrique coaxiale, la figure 3 est un schéma qui représente une colonne, la figure 4 est une courbe qui décrit l'état de saturation suivant le passage des eaux à partir de leur introduction jusqu'à leur évacuation. Sur la figure 1, l'installation de traitement ( 1) comporte une colonne ( 2) fixée en suspension dans un contenant ( 3) dont la paroi supérieure ( 4) est perméable à l'air, une conduite d'alimentation ( 5) finissant par un éclateur de surface ( 6), une conduite d'évacuation ( 7) servie par une pompe immergée ( 8) située dans le fond du contenant ( 3) o les eaux traitées ( 13) sont accumulées. Le niveau de ces eaux traitées doit être toujours inférieur au fond de la colonne. La colonne ( 3) a une forme cylindrique et est constituée par une paroi latérale cylindrique et par un fond perméable ( 9). La paroi latérale de la colonne a une zone supérieure étanche et une zone perméable, située au dessous de la dite zone étanche, cette zone perméable peut s'étendre Jusqu'au niveau du fond de la colonne. Pour des ordres pratiques, la paroi cylindrique est constituée de trois zones: une zone supérieure ( 1 Oa) étanche, une zone intermédiaire (l Ob) perméable et, une zone ( 1 Oc) étanche. La colonne ( 2) est chargée par des particules constituant un massif filtrant. Le massif filtrant est constitué de deux couches: une couche supérieure dense ( 11) et, une couche inférieure légère ( 12). La couche légère occupe les espaces correspondant aux zones étanche ( 1 Oc) et perméable (l Ob) et la couche dense se trouve dans l'espace correspondant à la zone étanche ( 1 Oa). Les deux couches supérieure et inférieure ont une granu Lométrie de 0,05 à 5 mm. Cette granulométrie est de préférence de 0,1 à 1 mm. Chaque couche est constituée de particules chimiquement stables, biologiquement non-dégradables et physiquement non-altérables. La densité de la couche supérieure est supérieure à 1000 kg/m 3 et celle de la couche inférieure est inférieure à 100 kg/m 3. Le vide interstitiel de la couche supérieure est de 15 à 35 %, ceci en fonction de l'homogénéité de la répartition de la taille des particules, le vide interstitiel pour une répartition granulométrique hétérométrique, c'est-à-dire, des particules de différentes tailles est inférieur à celui d'une répartition homométrique, c'est-à-dire, des particules ayant la même taille. En effet dans le cas des particules denses tassées sphériques, c'est uniquement leur degré d'homogénéité qui influence le vide interstitiel constituant les pores. Dans le cas des particules constituant la couche inférieure légère, un autre facteur intervient pour déterminer le vide interstitiel, c'est la force d'interaction entre ces particules, cette force est négligeable dans le cas des particules denses, ceci car la force de gravité est beaucoup plus grande que celle d'interaction entre les particules. Dans le cas de la couche inférieure comme dans le cas de la couche supérieure, les particules de chaque couche ont la même nature, c'est-àdire, que la force d'interaction entre les particules est une force de répulsion. Dans le cas des particules légères constituant la couche inférieure, cette force de répulsion empêche ces particules d'occuper l'espace de la même façon que dans le cas de particules denses, par conséquent, les pores entre ces particules légères sont plus importantes que celles entre les particules denses. Le vide interstitiel constituant les pores peut atteindre 85 % du volume apparent des particules. Le liant entre les particules est assuré par l'action des forces de tensions superficielles développées en milieu non-saturé par le film d'eau entourant toutes les particules. La matière des particules des deux couches est une matière à dominante siliceuse, ceci garantit la neutralité chimique et biologique. La couche supérieure est constituée de sable et la couche inférieure est constituée de perlite expansée. La densité du sable (granulométrie 0,1 à 1 mm) est supérieure à 2500 kg/m 3 et celle de la perlite expansée (granulométrie comparable à celle du sable) est approximativement de 65 kg/m 3. L'aération des particules de la perlite expansée est assurée par la zone intermédiaire perméable (l Ob) de la paroi latérale de la colonne. Cette aération peut être également assurée par une conduite d'aération ( 14) dont l'intérieur fournit l'air à la couche inférieure. Il est à noter que l'aération de la dite couche inférieure peut être assurée soit par l'un de ces deux moyens d'aération latérale soit par les deux moyens à la fois. La conduite d'aération ( 14) peut être ouverte à lair libre (comme montre le dessin) ou peut être reliée à une source d'air forcé. Sur les figures ( 3) et ( 4) sont montrés le schéma d'une colonne semblable à celle de la figure ( 1 > et la courbe décrivant l'occupation des pores des deux couches par les eaux en traitement. Sur la figure ( 4), l'axe (X) représente le pourcentage d'occupation des pores par les eaux à traiter; le "O" veut dire, occupation nulle, c'est-à-idre, des particules à l'état sec et le " 100 " veut dire occupation totale, c'est-à-dire, à l'état de saturation, l'axe "Y" représente la profondeur du massif filtrant mesuré à partir de sa surface supérieure. Le moyen distributeur dont la conduite d'alimentation et l'éclateur de surface font partie, assure l'arrivée des eaux prétraitées à partir d'une installation de prétraitement. Les eaux sont arrivées en continu ou selon des lames séquentielles créant ainsi une zone saturée au commencement, d'o la nécessité que la partie supérieure de la paroi de la colonne soit étanche. Dans les deux cas, la courbe d'occupation des pores par les eaux en traitement dans la couche supérieure doit obéir à la première partie ( 15) de la courbe de la figure ( 4), ceci est il facilement trouvable soit par un calcul simple sachant la porosité du sable soit d'une façon empirique. A titre d'exemple, pour une couche de sable dont la granulométrie est de 0,1 à 1 mm et dont la hauteur est de 12 cm, l'alimentation suivant une lame d'eau de 2 cm chaque heure ( 48 cm par jour) conduit à satisfaire à cette condition. Dans le cas d'alimentation en continu, les mêmes quantités d'eau doivent être réparties sur le temps. D'une manière générale, dans le cas d'alimentation par des lames d'eau, la valeur de chaque lame doit être inférieure à la hauteur équivalente de l'espace poral de cette couche dense supérieure. La hauteur équivalente de l'espace poral est la hauteur d'un volume ayant la même valeur que celle de l'espace poral (le vide interstitiel et la même forme que l'intérieur de la colonne. Une fois que la condition de non-saturation est respectée à la fin du passage dans la couche supérieure, la suite de la courbe se reproduit spontanément; dans la deuxième partie ( 16) de la courbe, les eaux occupant, par exemple, 60 % des pores du sable, à la fin du passage dans la couche supérieure, se trouvant dans la couche inférieure en présence d'un vide interstitiel très important, ceci conduit à diminuer beaucoup l'occupation de ces pores, en premier temps, cette occupation se stabilise dans un régime stationnaire ou transitoire, à un taux inférieur à celui dans la couche de sable. Le déplacement des eaux retenues dans une partie de l'espace poral est sous le contrôle de deux types de forces; les forces gravifiques et les forces de succions générées par l'action des forces de tensions superficielles dans un milieu non saturé. Sous l'action des forces gravifiques, il y a la composante d'écoulement qui est dirigée vers le bas. Sous l'action des forces de succions, s'exerçant dans toutes les directions, il y a tendance à une homogénéisation de la répartition de l'eau dans tout l'espace poral. Les eaux retenues entre les particules légères avancent vers le bas au fur et à mesure de la livraison de nouvelles quantités d'eaux par la couche supérieure. La progression vers le bas s'effectue par remobilisation des eaux piégées par les effets de succions et par effet piston lorsque la composante gravifique (poid) de l'eau dépasse les forces de succions liant l'eau aux particules légères constituant la matrice du milieu poreux. Donc, les eaux avancent par glissement sur la surface des particules en présence d'une quantité suffisante d'air située dans les pores, cet air étant renouvelable par échange diffusif et/ou convectif par la zone perméable (l Ob) de la paroi de la colonne et/ou par la conduite d'aération. Vu cette configuration, ces eaux n'ont pas l'occasion de s'échapper par cette zone perméable vers l'extérieur. Arrivant au fond de la colonne, les eaux s'accumulent jusqu'à ce que leur poids ait un effet plus important que la force d'attraction entre elles et les particules légères. Les eaux traitées sortent, donc par le fond perméable ( 9) au fur et à mesure de l'arrivée d'autres eaux. Il est à noter que la non-étanchéité de la zone inférieure (l Oc) de la paroi latérale de la colonne a uniquement comme fonction la consolidation mécanique de la colonne. Cette zone n'a pas de rôle en ce qui concerne l'efficacité épuratrice de l'installation, cette zone correspond à la partie ( 17) de la courbe de la figure ( 4). La couche supérieure ( 11) a un rôle de diffuseur assurant l'arrivée des eaux en traitement à la couche inférieure ( 12) suivant un système triphasique, solide-liquide-gaz. Cette couche supérieure ( 12) a également comme rôle la stabilisation en position, lors du passage des eaux en traitement, les particules de la couche inférieure ( 12). Cette stabilisation est nécessaire pour le fonctionnement de la colonne, ceci vu la différence en densité entre les eaux en traitement et les particules de cette couche inférieure. Dans l'absence de cette stabilisation, les eaux en traitement créent des chemins préférentiels en repoussant les dites particules légères, ceci peut diminuer considérablement l'efficacité épuratrice de l'installation. La couche supérieure de sable assure également une compensation éventuelle de la poussée hydraulique résultant d'un état proche de la saturation sur la partie supérieure de la couche inférieure. Les résultats de nos expériences montrent qu'une contre-poussée convenable est assurée à partir d'une dizaine de cm d'épaisseur de sable pour une surface d'infiltration de 3 m 2. Si on sait que les particules constituant le massif filtrant sont couvertes, après une période suffisante de fonctionnement par un biofilm actif, on peut comprendre que le passage des eaux dans la couche inférieure par glissement sur ces particules ne peut que amplifier l'efficacité épuratrice de l'installation. Les eaux traitées Issues de l'installation sont presque exemptes de sels d'amoniaque; ces sels et également les sels de nitrate sont transformés par oxydation en sel de nitrate. Ceci contribue à diminuer la teneur en demande chimique d'oxygène (DCO) qui atteint une valeur de 30 mg/l après deux mois de fonctionnement. La teneur en matière en suspension est de l'ordre de 5 mg/l. La teneur en coliformes thermotolérants (témoin de la contamination fécale) atteint une valeur inférieure à 100 par ml, cette valeur remplit parfaitement la condition restrictive des eaux de baignade. Les particules de la couche inférieure légères ( 12) sont séparées de la zone perméable (l Ob) de la paroi de la colonne par une épaisseur ( 21) perméable à texture fine, ceci empêche ces particules de s'enfuir. Le fond ( 9) de la colonne est séparé de la couche inférieure par une épaisseur ( 20) perméable à texture fine, ceci pour empêcher également la fuite de particules. Les deux couches ( 11) et ( 12) du massif filtrant sont séparées l'une de l'autre par une épaisseur ( 22) perméable à texture fine, ceci sert à empêcher l'interdiffusion de particules constituant ces deux couches. La surface la couche supérieure ( 11) est couverte par une épaisseur amovible ( 23) perméable à texture fine. Cette épaisseur ( 23) sert à stabiliser la dite surface vis-à-vis de l'arrivée d'eau, à harmoniser la répartition de l'eau sur elle et également à retenir une partie de la matière en suspension (MES). Cette épaisseur ( 23) amovible peut être périodiquement changée ou nettoyée, évitant ainsi d'éventuels colmatages. Ces épaisseurs perméables à texture fine sont des géotextiles (feutres). Sur la figure ( 2) est présentée une autre forme de réalisation de l'installation ( 23) semblable à celle de la figure ( 1) sauf que la colonne ( 24) a une forme de couronne constituée de deux parois latérales cylindriques et coaxiales ( 25) et ( 26) et un fond annulaire ( 27). Ces deux parois latérales sont constituées chacune de trois zones: une zone supérieure étanche, une zone intermédiaire perméable et, une zone inférieure étanche. Le fonctionnement de cette installation est identique à celui de la figure ( 1). Il est à noter que la colonne peut avoir différentes formes, que le contenant peut également prendre des différentes formes, ceci pour différentes raisons soit de fabrication soit d'intégration dans le site sans pour autant changer le mode de fonctionnement. REVENDJICATIONS 1 Installation de traitement aérobie complémentaire des eaux domestiques usées prétraitées et clarifiées afin de: diminuer sensiblement son contenu en matières en suspension (MES), diminuer sa valeur de demande chimique en oxygène (DCO) et, diminuer sensiblement sa teneur en germes témoins de contamination fécale, installatio du type de celles compor- tant: a) une colonne contenant un massif filtrant de particules non dégradables biologiquement stables chimiquement et non-altérables physiquement, les eaux à traiter traversant par gravité le dit massif filtrant, la colonne étant constituée par des parois latérales et par un fond perméable par lequel les eaux traitées sont récupérées, b) un moyen distributeur assurant l'arrivée des eaux à traiter à la dite colonne, suivant l'invention, l'installation se caractérise essentiellement en ce que: le massif filtrant est composé des deux couches: a) une couche inférieure légère dont les particules ont une même nature et une granulométrie de 0,05 à 5 mm, une densité inférieure à 100 kg/m 3, cette couche ayant un vide interstitiel représentant Jusqu'à 85 % de son volume, b) une couche supérieure dense dont les particules ont une même nature et une granulométrie de 0,05 à 5 mm, une densité supérieure à 1000 kg/m 3, cette couche ayant un vide interstitiel représentant jusqu'à 35 % de son volume, le moyen distributeur contrôle le débit d'arrivée des eaux prétraitées de telle sorte que ces eaux, traversant par gravité, dans l'ordre, la couche supérieure puis la couche inférieure effectuent au moins la fin du passage dans la couche supérieure dans un milieu non saturé, c'est-à-dire, dans un milieu triphasique solide-liquide-gaz, et en ce que: des moyens d'aération founissent latéralement l'air dans la couche légère inférieure. 2 Installation selon la revendication caractérisée en ce que les moyens d'aération fournissant latéralement l'air dans la couche légère inférieure sont constitués par: des parois latérales de la colonne perméables et/ou, de conduite(s) d'aération s'étendant dans le massif filtrant et dont les parois sont perméables vis-à-vis de la dite couche inférieure, l'intérieur de cette ce(s) conduite(s) communique soit avec l'atmosphère soit avec une source d'air forcé. 3 Installation selon la revendication 2 caractérisée en ce que les parois latérales de la colonne ont une zone supérieure étanche vis-à-vis de laquelle se trouve au moins partiellement la couche supérieure dense et une zone perméable, située au dessous de la dite zone, supérieure vis-àvis de laquelle se trouve au moins partiellement la couche inférieure légère. 4 Installation selon la revendication 2 caractérisée en ce que les parois latérales de la colonne sont constituées de trois zones: une zone supérieure étanche vis-à-vis de laquelle se trouve, au moins partiellement la couche supérieure dense, une zone intermédiaire perméable vis-à-visde laquelle se trouve patiellement la couche inférieure légère permettant ainsi la communication de l'air à la dite couche une zone inférieure étanche. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisée en ce que la matière des particules de la couche inférieure légère est une matière à dominante siliceuse. 6 Installation selon la revendication 5 caractérisée en ce que la matière à dominante siliceuse est la perlite expansée. 7 Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisée en ce que les particules de la couche dense supérieure sont des grains de sable. 8 Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que le moyen distributeur assure l'arrivée des eaux à traiter soit d'une façon continue soit d'une façon intermittente selon des lames d'eau séquentiellement envoyées. 9 Installation selon la revendication 8 dans laquelle le moyen distributeur envoie séquentiellement des lames d'eau sur la surface de la couche supérieure dense caractérisée en ce que chaque lame d'eau envoyée à une valeur inférieure à la hauteur équivalente de l'espace poral de la dite couche dense supérieure. Installation selon la revendication 2 caractérisée en ce que le massif filtrant est séparé des parties perméables des parois latérales, du fond de la colonne par des épaisseurs perméables à texture fine, ceci pour empêcher la fuite de particules, les deux couches constituant le massif filtrant sont séparées l'une de l'autre par une épaisseur perméable à texture fine, ceci pour empêcher l'inter-diffusion de particules constituant les deux couches, la surface de la couche supérieure est couverte d'une épaisseur amovible à texture fine, ceci pour stabiliser la dite surface vis-à-vis de l'eau, pour harmoniser la répartition de l'eau sur elle et également pour retenir une partie de la matière en suspension (MES). 11 Installation selon la revendication 10 caractérisée en ce que les dites épaisseurs à texture fine sont des géotextiles (feutres).