Brevet FR2698627A1 — publié le 19940603

La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour sa mise en oeuvre, en vue du traitement par épuration biologique, d'eaux usées, telles que des eaux résiduaires, domestiques et/ou industrielles. Le traitement des eaux usées soulève de nombreuses difficultés et est soumis à des contraintes contradictoires. En effet, il importe de traiter un très grand volume d'eau polluée, dans un minimum de temps, avec un minimum d'encombrement et d'obtenir une eau susceptible d'être rejetée dans le milieu naturel sans occasionner de nuisance. La difficulté est d'autant plus grande que les eaux résiduaires contiennent en général une très grande variété de charge polluante qu'il convient d'éliminer en un nombre minimal d 'opérations. On a développé au cours des années divers procédés destinés au traitement des eaux usées. Un premier procédé connu inclut l'utilisation de boues activées contenant des microorganismes en suspension dans un milieu liquide soumis à un brassage et à une aération permanente. Ce procédé connu présente l'inconvénient de nécessiter une étape terminale de clarification du mélange boue-eau traitée. De plus, le floc formé présente une surface d'échange restreinte avec le substrat et l'oxygène. Or, le traitement biologique nécessite une surface d'échange la plus grande possible afin de permettre une dégradation optimale de la charge polluante. On a cherché à développer et augmenter cette surface d'échange par l'utilisation de filtres bactériens constitués par un matériau-support de densité supérieure à la phase liquide le traversant, et susceptible de permettre la croissance de populations microbiennes en son sein. La surface d'échange bien qu'étant supérieure à celle du procédé dit des boues activées, reste encore relativement limitée. Les procédés connus les plus récents utilisent ce que l'on appelle les "lits granulaires" constitués d'un filtre formé d'un matériau-support de densité inférieure ou supérieure selon le cas, à la phase liquide à traiter. Ces lits granulaires présentent une surface spécifique d'échange très supérieure à celle des autres matériaux. A titre d'exemple, de tels matériaux-supports sont constitués de sable, chamotte, argile expansée, pierre ponce, charbon actif,... Il existe deux types de procédés à lits granulaires. On connaît les lits granulaires mobiles, constitués d'un matériau-support de densité inférieure à la phase liquide. Ce type de procédé n'assure qu'une épuration biologique. Il est donc nécessaire de prévoir une étape de rétention des matières en suspension, en aval, à l'aide de moyens de décantation. On connaît également les lits granulaires fixes, appelés couramment "biofiltres" constitués d'un matériau-support de densité supérieure à la phase liquide. Ce procédé permet à la fois une action biologique en vue de la dégradation de la charge polluante et une action de rétention des matières en suspension présentes dans l'eau à traitée, et des boues produites en excès. A noter que dans les procédés à lits granulaires, qu'ils soient du type fixe ou mobile, l'eau à traiter traverse le matériau support selon un flux soit ascendant, soit descendant. Dans ces deux types de procédés, une alimentation en gaz, tel que de l'air, est prévue à la base du filtre, le courant de gaz étant toujours ascendant. Ainsi, selon la direction du flux d'eau à traiter, les dispositifs de mise en oeuvre sont dits à co-courants, ou à contre-courants, en fonction du sens de circulation de l'eau à traiter par rapport au sens de circulation du gaz d'oxygénation. Les dispositifs pour la mise en oeuvre des procédés dits à lits granulaires présentent un inconvénient majeur. En effet, ces matériaux-supports sont destinés, comme indiqué précédemment, à retenir les matières en suspension. Compte-tenu du volume important de ces dernières, celles-ci s'accumulent au sein du filtre constitué dudit matériau support et finissent par colmater le filtre. Ce phénomène de colmatage est d'autant plus gênant qu'il affecte tout d'abord la partie amont du filtre, dans le sens de la circulation de l'eau à traiter. Dans un dispositif à lit granulaire fixe, à courant descendant, le filtre sera colmaté tout d'abord dans sa partie supérieure. Ainsi, très rapidement le filtre présentera une efficacité très réduite, et ce, d'autant plus que la zone colmatée empêche l'accès des eaux à traiter dans le reste du filtre. Il est nécessaire alors de procéder au décolmatage, par lavage du filtre. Cette opération de lavage est réalisée par injection d'air et/ou d'eau sous pression à la base du filtre. Ces opérations de décolmatage limitent le temps d'utilisation du filtre puisque pendant le déroulement de ces dernières, celui-ci n'est pas opérationnel. Ceci est d'autant plus gênant que ces opérations doivent être effectuées de façon relativement fréquentes. De plus, les opérations de lavage sont onéreuses comptetenu des quantités d'air et d'eau sous pression qu'il est nécessaire d'injecter à la base du filtre, pour décolmater ce dernier. Par ailleurs, ces opérations de lavage sont coûteuses sur le plan énergétique. Enfin, elles provoquent un phénomène d'usure par attrition du matériau-support, ce qui réduit donc sa durée de vie, et modifie sa granulométrie, affectant ainsi ses capacités de filtration. La présente invention remédie à ces inconvénients et propose un procédé et un dispositif pour sa mise en oeuvre, pour l'épuration d'eaux usées, qui permet de retarder le colmatage du filtre par les matières en suspension, réduisant ainsi la fréquence et le nombre des opérations de lavage avec tous les avantages qui en découlent, compte tenu de ce qui précède. A cette fin, selon l'invention, le procédé pour le traitement d'eaux résiduaires dans lequel on fait traverser auxdites eaux une masse de matériau filtrant (filtre) de - densité supérieure à ces dernières, selon un flux vertical descendant, l'eau traitée étant recueillie à la base du filtre, est caractérisé en ce qu'on alimente au moins partiellement le filtre en eau surpressée. De préférence, l'eau surpressée est mélangée à un gaz de préférence un gaz oxygénd. Selon un premier mode de réalisation, l'alimentation en eau surpressée, est réalisée au-dessus du filtre ou dans la partie supérieure de ce dernier, de manière à créer une zone de flottation pour les matières en suspension qui sont alors susceptibles d'être évacuées en partie supérieure du filtre. Selon une variante, l'alimentation en eau surpressée (plus du gaz éventuellement) est réalisée dans le corps du filtre, et de préférence, à mi-hauteur de ce dernier. Avantageusement, la quantité d'eau surpressée représente jusqu'à 50% du total de l'eau alimentant le filtre. L'eau est surpressée avec un gaz de pression compris entre 1 et 30 bars, et de préférence de l'ordre de 4 bars, et un gaz de préférence oxygéné. L'eau surpressée peut être constituée d'eau traitée provenant de la base du filtre. L'invention concerne également un dispositif pour ^ le traitement d'eaux résiduaires, comprenant une masse de matériau filtrant (filtre) de densité supérieure auxdites eaux, ledit filtre étant traversé par les eaux polluées selon un flux vertical descendant, et des moyens pour recueillir à la base du filtre l'eau traitée, caractérisé en ce qu'il comporte également des moyens d'alimentation du filtre en eau surpressée. L'invention sera bien comprise à la lumière de la description qui suit se rapportant à un exemple illustratif, mais non limitatif, de l'invention, se rapportant au dessin dans lequel la figure 1 représente un schéma du dispositif selon l'invention. Comme représenté sur la figure 1, le dispositif de l'invention comprend une cuve 1 contenant un lit de matériau 2, formant filtre et support pour des microorganismes épurateurs. Le matériau granulaire, est par exemple constitué de pouzzolane, contenant différents oxydes, de l'argile expansé, du charbon actif ou du sable ou toute composition de ces derniers, ou encore tout autre matériau granulaire pouvant être utilisé dans des installations à lits granulaires fixes. Le matériau présente une microporosité de grains permettant d'assurer un développement correct des microorganismes épurateurs, et également la rétention des matières en suspension.La granulométrie du matériau est de préférence de l'ordre de 1 à 10 mm, et selon une fourchette préférée entre 3 et 6 mm. La hauteur du filtre dans la cuve 1 est comprise par exemple entre 1 m et 5 m. La hauteur du filtre est fonction de la charge de l'eau à épurer. En d'autres termes, plus les eaux à traiter contiennent de charges polluantes, plus la hauteur du filtre est importante. Le filtre peut être préalablement ensemencé de micro-organismes adéquats et connus en eux-mêmes. Les eaux à traiter, d'origine domestique et/ou industrielle, proviennent d'une source 3 d'eaux résiduaires et sont acheminées par des canalisations, connues en elles-mêmes et symbolisées par la référence 4 sur la figure. Les canalisations d'amenée 4 débouchent dans la partie supérieure de la cuve, au sommet du filtre 2. Les flèches f symbolisent le flux descendant des eaux à traiter, à l'intérieur du filtre, depuis le sommet de ce dernier jusqu'au fond 5 de la cuve 1. Le fond 5 débouche dans une chambre 6 appelée à contenir l'eau traitée qui est évacuée par une conduite 7 pourvue d'une vanne de décharge 8. L'eau traitée après passage dans le filtre est évacuée (flèche 9). Une partie de l'eau traitée est également acheminée, par l'intermédiaire d'une conduite 10, vers une réserve 11. Cette dernière est reliée à la chambre 6, par une conduite 12. L'eau traitée issue de la réserve 11 est également acheminée par la conduite 13 vers une enceinte de pressurisation 14 où l'eau est portée à une pression pouvant aller jusqu'à 30 bars, et de préférence de l'ordre de 4 bars. La chambre de pressurisation 14 est reliée au sommet du filtre 2 par l'intermédiaire d'une conduite 15, qui débouche dans une zone située au-dessus du filtre 2. La couche d'eau à traiter, portant la référence 16, est aménagée pour permettre une flottation (explicitée ci-après). Des moyens d'alimentation en gaz sous pression, référence 17, sont reliés à la chambre de pressurisation d'eau 14. La sortie de la chambre de pressurisation débouche également, par une conduite 18, à mi-hauteur de la cuve 1, de façon à permettre, éventuellement, l'alimentation de l'intérieur du filtre en eau surpressée (simultanément avec une autre source de gaz, éventuelle ment). Ainsi, par l'intermédiaire des conduites, respectivement 15 et 18, de l'eau surpressée éventuellement associée à une autre source de gaz sous-pression, peut être injectée soit au sommet du filtre ou au-dessus de ce dernier et/ou au sein de ce dernier. La flottation est assurée présentement par de l'eau pressurisée, mais il est entendu dans la présente invention que tout autre moyen pouvant assurer la flottation de matières en suspension peut être utilisé. La chambre 6 de collecte d'eau traitée et disposée sous le fond 5 de la cuve 1, est reliée également à une source 19 de gaz de lavage sous pression (tel que de l'air) par l'intermédiaire d'une conduite 20. Les eaux résultant du lavage et du décolmatage du filtre sont susceptibles d'être retraitées et reversées dans la cuve 1 par l'intermédiaire d'une conduite 21 débouchant au sommet de la cuve 1. Une source 22 de produits réactifs peut être reliée à la conduite 4 d'amenée des eaux à traiter dans la cuve. Des moyens d'évacuation 23 sont prévus au sommet de la cuve 1, et notamment à un niveau sensiblement équivalent au niveau supérieur de la couche d'eau 16. Le fonctionnement du dispositif de l'invention, conformément au procédé de l'invention, est le suivant. L'eau à traiter provenant de la source 3 d'eaux résiduaires, auxquelles sont ajoutés éventuellement des produits réactifs 22, est déversée dans la cuve 1, de manière continue, à un débit compatible avec les capacités de traitement du dispositif. A ces eaux résiduaires est ajoutée de l'eau surpressée à plusieurs bars, provenant de la conduite 15. La quantité d'eau surpressée peut représenter jusqu 700% de la quantité d'eau totale alimentant le filtre. De préférence, l'eau surpressée est additionnée de gaz sous pression, tel que de l'air par exemple. Tout gaz compatible avec l'installation pourra être utilisé, comme de l'air enrichi en oxygène, de l'oxygène L'alimentation en eau au sommet du filtre, est réalisée de manière à constituer une couche 16 au-dessus de ce dernier.La couche 16 d'eau (contenant des eaux résiduaires et de l'eau surpressée) est telle qu'elle permette d'assurer un phénomène de flottation des matières en suspension présentes dans les eaux à traiter. Une partie de ces matières en suspension est soumise au phénomène de flottation et ainsi peut être évacuée par le dispositif d'évacuation 23, disposé sensiblement au niveau supérieur de la couche de flottation 16. Ceci est extrêmement avantageux dans la mesure où l'évacuation d'une partie, voire d'une très grande partie des matières en suspension, au-dessus du filtre, permet de retarder en conséquence le colmatage de ce dernier. En effet, les matières en suspension, qui ne seraient pas évacuées au sommet du filtre, sont retenues dans ce dernier. L'amenée d'eau surpressée permet également, outre le phénomène de flottation ci-dessus mentionné, d'activer le processus de dégradation biologique des matières organiques grâce à l'oxygénation induite à traiter. Selon une variante, l'alimentation en eau surpressée peut être effectuée dans le filtre, sensiblement, de préférence dans une zone médiane de ce dernier, par la conduite 18. On peut également alimenter en eau surpressée, à la fois la partie supérieure du filtre et la partie médiane de ce dernier. Selon une autre variante du procédé, une partie de l'eau à traiter alimentant le filtre est surpressée à plusieurs bars (de préférence 4) avec un gaz de préférence non oxygéné dans le cas de traitement par voie anaérobie. L'eau surpressée est constituée d'eau propre et selon une forme de réalisation avantageuse, d'eau traitée provenant de la réserve 11, par l'intermédiaire de la conduite 13. L'alimentation en eau surpressée peut être réalisée de manière continue ou de façon intermittente (par exemple de façon cyclique). On comprend que le dispositif et le procédé de l'invention permettent de résoudre les inconvénients mentionnés précédemment. Plus particulièrement, le fait de pouvoir évacuer une partie des matières en suspension, en partie supérieure du filtre, permet de limiter la pénétration des matières en suspension à l'intérieur du filtre, et ainsi retarder son colmatage. En conséquence, la fréquence des opérations de lavage et décolmatage du filtre peut être réduite, jusqu'à 70%. Egalement, ceci permet une économie en termes d'énergie. De plus, le lavage et décolmatage du filtre nécessitent une quantité d'eau inférieure, à celle des dispositifs de l'art antérieur. Ce faisant, la diminution du nombre de lavages par unité de temps, permet de diminuer le phénomène d'usure par attrition du matériau granulaire constituant le filtre. Le lavage et le décolmatage du filtre peuvent être réalisés, de façon préférentielle, de la manière suivante. L'alimentation des eaux à traiter et de l'eau surpressée est stoppée, et la vanne de décharge 8 de l'eau traitée provenant de la base du filtre est fermée. Puis, de l'eau de lavage provenant de la réserve 11 est introduite par la conduite 12 à l'intérieur de la chambre 6, à la base de la cuve. On alimente également la chambre 6 en air provenant de la source d'air sous pression 19. Dans un premier temps, on injecte de l'air sous pression, qui remonte dans le filtre selon un courant ascendant, afin de détasser le matériau du filtre, briser les agrégats accumulés autour des grains. Dans un second temps, on injecte de l'air et de l'eau de lavage simultanément, afin de ramener vers la surface du filtre les matières désolidarisées des grains. Enfin, on continue l'alimentation en eau sous pression en stoppant l'alimentation en air, afin d'évacuer les matières sans entraîner le matériau-support. Ce lavage s'effectue à contre-courant du flux liquide des eaux à traiter, afin d'acheminer les eaux depuis les zones les moins polluées vers les zones les plus polluées (c'est-à-dire concentrées en charges polluantes). A titre d'exemple, le cycle de lavage peut être de l'ordre de 6 heures à 48 heures. L'introduction de l'eau surpressée avec gaz sous pression au sein du filtre (conduite 18) permet un fonctionnement en aérobiose du dispositif. L'invention est susceptible d'être appliquée à l'épuration de pollutions du type carbonée, et/ou azotée et/ou phosphorée. Le demandeur a effectué des essais de fonctionnement du dispositif de l'invention, repris ci-après, sous forme de deux séries d'essai, respectivement appliquées à la dégradation biologique de la pollution carbonée d'un effluent domestique et au traitement de nitrification d'une eau résiduaire pré-traitée. Les conditions de la première série d'essais sont les suivantes: - l'eau pressurisée additionnée de gaz est injectée en partie supérieure du filtre; - le débit d'eau pressurisée a représenté jusqu'à 650% du débit d'eau d'alimentation; - le matériau granulaire constituant le filtre est du type pouzzolane et présente une granulométrie comprise entre 3 et 6 mm et la composition suivante: Al203, SiO2, Fe203, CaO, Na2O, et autres oxydes; - l'eau à traiter est une eau résiduaire semi-domestique dégrillée; - la charge polluante moyenne appliquée est de: 8 kg DCO/m3.j; - le temps de séjour moyen de l'eau dans le filtre est de 36 mn environ. Les résultats obtenus sont mentionnés sur le tableau 1 cidessous, résultant de la moyenne des valeurs de chaque cycle. Tableau n 1 DCO Totale DCO Soluble Matières en suspension (mg/l) (mgll) (m Il Eau brute 986 401 302 Eau épurée 290 260 36 Rendement (iO) 70 3 5 8 8 La lecture de ce tableau permet de constater que le procédé de l'invention assure une élimination importante de la demande chimique en oxygène (DCO) et des matières en suspension, parallèlement une réduction substantielle de la demande biochimique en oxygène (DBO5) a été notée. Le second essai est assuré dans les conditions de fonctionnement suivantes: - l'eau pressurisée est injectée en partie supérieure du filtre; - le débit d'eau pressurisée a atteint 400% du débit d'eau d'alimentation; - le matériau constituant le filtre est identique à celui ayant permis de réaliser la première série d'essais; - l'eau à traiter est une eau épurée après traitement biologique et clarification secondaire; - la charge polluante moyenne appliquée est de: 0,46 kg N/m3.j; - le temps de séjour moyen de l'eau dans le filtre est de 1,7 heure environ. Le Tableau n 2 ci-dessous montre les résultats expérimentaux, consistant en la nitrification de l'ammonium. Tableau ne 2 Charge appliquée Charge éliminée Rendement en N (NE4+) en N (NH#+) (%) (kgN/m3.j) (kgN!m3j) 0,38 0,063 83 0,57 0,072 87 Les résultats expérimentaux résultant de ce tableau montrent que le procédé de l'invention permet d'éliminer l'azote présent dans les eaux à traiter, sous la forme d'ions ammonium et sa capacité de les transformer en nitrates par voie aérobie. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, mais inclut toute variante telle que mentionnée dans les revendications ci-après. Le procédé, selon l'invention, peut s'appliquer au traitement de tout type d'effluent, au moins partiellement biodégradable, urbain ou semi-domestique ou industriel, issu par exemple des industries agro-alimentaires, papetières, chimiques ou minières. Le procédé, selon l'invention, peut s'appliquer également à la transformation ou au conditionnement de toute solution liquide dans le cadre d'un procédé de fabrication industrielle comme par exemple dans les industries agro-alimentaires, pharmaceutiques, chimiques ou pétrolières. Il peut s'appliquer éventuellement, à l'extraction ou à la transformation de composants présents dans une solution liquide dans le cadre d'un procédé de fabrication industrielle comme par exemple dans les industries agro-alimentaires, pharmaceutiques, chimiques ou pétrolières. REVENDICATIONS 1 - Procédé pour le traitement d'eaux résiduaires par voie biologique, dans lequel on fait traverser auxdites eaux une masse de matériau filtrant de densité supérieure à ces dernières, selon un flux vertical descendant, l'eau traitée étant recueillie à la base de ladite masse filtrante, caractérisé en ce qu'on alimente le filtre en eau surpressée. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on introduit du gaz sous pression dans ladite eau surpressée. 3 - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on alimente en eau surpressée la partie supérieure de la masse filtrante ou au-dessus de cette dernière. 4 - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on alimente l'intérieur de la masse filtrante en eau surpressée. 5 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'eau surpressée représente jusqu'à 700% du total de l'eau alimentant la masse filtrante. 6 - Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pression d'eau pressurisée est inférieure ou égale à 30 bars. 7 - Procédé selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que le gaz introduit comprend de l'oxygène. 8 - Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens permettant d'alimenter la masse filtrante en continu ou de façon intermittente. 9 - Dispositif pour le traitement d'eaux résiduaires par voie biologique, comprenant une masse de matériau filtrant de densité supérieure auxdites eaux, ces dernières étant susceptibles de traverser ladite masse filtrante selon un flux vertical descendant et des moyens pour recueillir l'eau traitée à la base de ladite masse filtrante, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens d'alimentation de la masse filtrante en eau surpressée. 10 - Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens permettant d'introduire du gaz sous pression dans l'eau surpressée. 1 I - Dispositif selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que les moyens d'alimentation en eau surpressée de la masse filtrante sont disposés au sommet ou audessus et/ou au sein de cette dernière.