Brevet FR2741334A1 — publié le 19970523

Procédé et installation de traitement d'effluents forte ment chargés en composés organiques et en particulier des effluents des caves de vinification La présente invention concerne un procédé de traitement d'effluents fortement chargés en composés organiques et en particulier des effluents des caves de vinification préalablement à leur rejet en station d'épuration ou directement dans la nature. Les effluents des caves vinicoles, constitués par un mélange d'eaux de lavage de matériels de cave, soutirages, éventuellement de verrerie, de moût perdu par accident..., sont particulièrement polluants, en particulier compte tenu du fait qu'ils renferment une importante proportion de composés organiques lourds (polyphénols, tanins, ... ) dont l'épuration nécessite un traitement particulier. Aucun procédé n'est actuellement finalisé à ce jour, permettant aux professionnels et en particulier aux coopératives vinicoles, de disposer d'un procédé simple permettant de ne rejeter vers l'extérieur que des produits peu nocifs pour l'environnement et auxquels les stations d'épuration vers lesquelles ils sont transférés puissent facilement faire face. Or, les Autorités, comme les Agences de l'eau, sont de plus en plus attentives à l'application des nouvel les normes plus strictes en matière d'écologie et d'environnement. Dans ce contexte, la présente invention a pour objet de proposer un procédé permettant le traitement d'effluents fortement chargés en composés organiques ; ce procédé est tout spécialement adapté à l'épuration des effluents vinicoles, mais il ne s'agit pas là d'une caractéristique limitative de l'invention et celui-ci pourrait être mis en oeuvre dans un but autre, tel qu'à titre d'exemple l'épuration des résidus de jus de fruits. Ce procédé est caractérisé par la succession des étapes suivantes - on rassemble les effluents à traiter dans une cuve de stockage après les avoir au préalable dégrillés, - on transfère les effluents par bâchées successives dans un réacteur de traitement que l'on ensemence par une flore bactérienne, de préférence de la famille des Pseu domonas, associée à des nutriments adaptés de façon à faire subir à ces effluents une épuration biologique, - on établit dans le réacteur un déplacement dynamique constant des effluents en les faisant circuler en continu dans au moins une boucle de traitement montée en dériva tion sur le réacteur et renfermant des éléments de fixa tion d'une fraction de la biomasse, - on fait séjourner les effluents dans le réacteur pendant environ 10 jours en maintenant la circulation en perma nence et en ajoutant, le cas échéant, régulièrement des nutriments, - on transfère les effluents épurés dans une cuve de décan tation dans laquelle on les maintient au maximum pendant le traitement de la bâchée suivante de façon à recueillir une boue et un liquide clarifié, et - on transfère la boue vers le système d'épuration de la distillerie industrielle et le liquide clarifié, le cas échéant, préalablement filtré et oxydé à une station d'épuration ou on le rejette directement dans la nature. L'opération préalable de dégrillage, qui est classique et bien connue des épurateurs d'eau, a pour but d'éliminer les particules solides de dimensions relativement importantes pouvant se trouver dans les effluents (pépins, pellicules, morceaux de rafle, I1 est à noter que le réseau d'eaux industrielles doit avoir été séparé de celui des eaux de pluies et des eaux vannes avant le transfert des effluents dans la cuve de stockage. L'originalité du procédé conforme à l'invention réside principalement dans la mise en oeuvre au sein du réacteur d'un processus de destruction biochimique induit par les enzymes sécrétés par les bactéries présentes dans le milieu. Dans ce but, il est nécessaire d'ensemencer préalablement celui-ci par une flore choisie parmi des souches bactériennes particulièrement actives, productrices d'un spectre enzymatique à capacité très large, susceptibles de "matraquer" et casser des molécules complexes difficiles à traiter telles que les polyphénols et les tanins, dans un temps de l'ordre de 8 à 10 jours. Pour permettre à ces bactéries qui se trouvent dans un milieu particulièrement hostile d'agir rapidement et efficacement, il est en outre nécessaire de leur fournir régulièrement des nutriments optima. L'expérience a montré que dans ce but, il est préférable d'aller à l'encontre des habitudes des traiteurs d'eau consistant à fournir aux bactéries de l'azote, notamment sous forme d'ammoniac à partir duquel elles doivent synthétiser les chaînes protéiques des enzymes par un processus relativement long ; on opte, en effet avantageusement, pour la fourniture aux bactéries de chaînes protéiques prédigérées , c'est-à-dire coupées en chaînons renfermant un maximum d'acides aminés biologiquement disponibles ; il est à noter que l'on connaît par le document FR-A-86 09 828, un procédé biotechnologique permettant de quantifier in vitro la proportion d'un acide aminé disponible dans une chaîne protéique donnée. Conformément à l'invention, les protéines ainsi prédécoupées peuvent pénétrer dans les cellules bactériennes en passant au travers des cytomembranes, et ainsi favoriser la synthèse et la sécrétion des enzymes et par suite diminuer la durée du traitement tout en augmentant son efficacité. Indépendamment de ce qui précède, une autre originalité du procédé conforme à l'invention est liée au fait que le traitement au sein du réacteur est mis en oeuvre selon un mode dynamique, c'est-à-dire que les effluents circulent en permanence dans au moins deux boucles situées à l'extérieur de celui-ci. Un tel mode de fonctionnement est totalement différent du processus classique consistant à brasser constamment les effluents dans le réacteur et présente un avantage substantiel : en effet, grâce à l'établissement de différences de pression locales à l'intérieur du flux de liquide à traiter, il permet d'empêcher la formation, dans le réacteur, d'une pellicule gélatineuse (biofilm) tendant à freiner les échanges physico-chimiques dans le milieu et donc à entraver le processus d'épuration ; or, la formation d'un tel biofilm est inévitable en présence d'un simple brassage du liquide à traiter vu que les contraintes de cisaillement ainsi induites ne sont pas assez importantes pour supprimer ce phénomène. Selon une autre caractéristique de l'invention, pendant le traitement dans le réacteur, on insuffle constamment de l'air ou de l'oxygène sous forme de microbulles à la partie inférieure de celui-ci. Cet apport d'oxygène a, en fait, un double rôle consistant, d'une part, à permettre une oxydation chimique du milieu à traiter, et, d'autre part, à fournir aux bacté ries, qui sont de type aérobies la quantité d'oxygène nécessaire à leur métabolisme et à leur multiplication ; à cet effet, il est nécessaire de maintenir le teneur en oxygène dans le milieu au dessus d'une limite donnée, ce que l'on contrôle au moyen d'un asservissement lié à un maintien du potentiel d'oxydoréduction dans une fourchette donnée. Selon une autre caractéristique de l'invention, lorsque l'on transfère les effluents par bâchées successives dans le réacteur de traitement, on conserve tout ou partie des boues de la bâchée précédente. Il est également à noter que, conformément à l'invention, pour chaque bâchée, l'ensemencement du réacteur peut être effectué soit en une seule fois en début de processus, soit en deux fois. Cette addition de flore exogène vient compléter la biomasse transférée à partir d'un pied de cuve et la population bactérienne résiduelle des lits contenus dans les boucles extérieures, provenant de la bâchée précédente. Ce type de fonctionnement peut être appelé SBR (Sequencing Batch Reactor). Selon une caractéristique préférentielle de l'invention, pendant le traitement dans le réacteur, on fait circuler en permanence les effluents dans deux boucles de traitement indépendantes renfermant, chacune, des éléments de fixation de la biomasse, ce à des débits réguliers et de même niveau, à savoir, d'une part, dans un première boucle de traitement dans laquelle on fait circuler les effluents de bas en haut et on effectue une correction du pH et une fixation d'une première fraction de la biomasse et, d'autre part, dans une seconde boucle de traitement dans laquelle on fait circuler les effluents substantiellement horizontalement et on effectue un piégeage de molécules de faible poids moléculaire et une fixation d'une seconde fraction de la biomasse. Cette dernière se répartit donc entre une partie circulante, notamment colonisée autour de particules solides présentes dans les effluents à traiter, et une partie fixée sur les éléments de fixation présents dans la première et dans la seconde boucle de traitement. Selon la nature de l'effluent, la correction du pH peut donner lieu à l'addition d'une substance alcaline, type chaux. Selon une autre caractéristique de l'invention, pendant le traitement dans le réacteur, on fait circuler, en permanence, les effluents dans au moins une troisième boucle de traitement indépendante renfermant un filtre. Cette caractéristique permet de diminuer les dimensions des colonies bactériennes. Selon une autre caractéristique de l'invention, on maintient la température des effluents présents dans les réacteur à environ 28-300C notamment à l'aide de cannes chauffantes. Il est en effet à noter qu'il est avantageux pour faciliter la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention d'utiliser autant que possible un matériel déjà présent dans les caves de vinification. La présente invention se rapporte également à une installation adaptée à la mise en oeuvre du procédé susmentionné et comportant un réacteur destiné à recevoir les effluents vinicoles à traiter et muni d'organes d'insufflation d'air ou d'oxygène à sa partie inférieure ainsi qu'une première et une seconde boucles de traitement montées chacune en dérivation sur le réacteur et équipées chacune d'organes de réception de supports granulaires poreux susceptibles de fixer une fraction de la biomasse. La caractéristique essentielle de cette installation est liée à sa simplicité et à un caractère essentiellement "rustique", et modulaire, permettant d'envisager son montage dans la quasi totalité des coopératives vinicoles. Selon l'invention, la première boucle de traitement de cette installation comporte un récipient, notamment un cylindre, renfermant des granulats d'une algue calcique à forte porosité : le lithothamnium calcareum constituant les support s granulaires susceptibles de fixer une première fraction de la biomasse. Il s'agit là d'une algue rouge particulière poussant au large des Iles Glénan et dont le squelette est constitué, pour environ 80 %, de carbonate de calcium. Cette algue est actuellement utilisée, compte tenu de sa grande surface spécifique, en tant que filtre inorganique pour le traitement des gaz et en tant que fixateur de biomasse bactérienne. Outre sa forte porosité, cette algue se distingue par une teneur très élevée en oligo-éléments (ceux présents dans l'eau de mer sous forme concentrée) qui sont utiles au métabolisme des bactéries et par une importante solubilité entraînant la dissipation dans le milieu à traiter d'une grande quantité de calcium jouant le rôle d'agent neutralisant et de correcteur de pH. On a pu vérifier que le pH des effluents initialement voisin de 4 s'élève en fin de traitement à une valeur proche de 7, c'est-à-dire de la neutralité. De plus, l'importance de la surface d'échange à ce niveau favorise les réactions physico-chimiques catalysées par les enzymes sécrétés par les bactéries fixées dans les pores du lithothamnium et entraîne par suite une accélération du processus d'épuration. Il est, en outre, à noter que la consommation de cette algue est un indicateur du fonctionnement du système et peut être automatisée en cours de traitement. Selon une autre caractéristique de l'invention, le récipient notamment le cylindre, renfermant les granu lats de lithothamnium est équipé, à sa partie inférieure, d'une cloison perforée, par exemple en PVC, ayant pour rôle de répartir les effluents à son entrée et d'éviter tout colmatage. Le dépôt observé à ce niveau est fonction de la biomasse présente dans le système ainsi que du degré de vitalité des bactéries. Selon une caractéristique préférentielle de l'invention, les organes de réception de supports granulaires poreux de la seconde boucle de traitement sont constitués par une batterie de vases clos montés en lignes et en dérivation et partiellement remplis de granulats de zéolites, de préférence de zéolites naturelles. Il s'agit là d'un matériau naturel d'une porosité spécifique à base de silicates, issu du volcanisme, bien connu des spécialistes et qui se distingue, au plan moléculaire, par une charpente tétraédrique ménageant des cages ou des canaux parfaitement calibrés dont les dimensions et la géométrie autorisent l'inclusion de certaines espèces moléculaires ou ioniques spécifiques. Conformément à l'invention, on met, de préférence, en oeuvre un mélange de chabazite et de clinoptilolithe. Cette batterie de vases clos, qui peuvent être qualifiés de pièges à zéolites, a un rôle substantiellement différent de celui du cylindre rempli de lithothamnium présent dans la première boucle de traitement vu qu'il ne se limite pas à fixer une seconde fraction des bactéries, mais piège parallèlement des molécules de poids moléculaire relativement faible tel l'ammoniac. Il est essentiel pour la bonne marche du procédé de disposer d'une série de pièges à zéolites montés en cascade qui retiennent tout d'abord les molécules avec lesquels ils ont la plus grande affinité, puis les autres dans l'ordre d'affinité décroissante. Compte tenu de l'importance de la surface développée des zéolites, celles-ci fixent en fait la majeure partie des bactéries, et les échanges physico-chimiques sont par suite largement accélérés à ce niveau. Selon une autre caractéristique préférentielle de l'invention, le flux d'effluents à traiter pénètre dans les vases clos successifs par leur partie supérieure et affleure tangentiellement la surface du lit de zéolites en n'y pénétrant que sur quelques centimètres. Cette caractéristique est de nature à exclure tout colmatage des pièges à zéolites. Selon une autre caractéristique de l'invention, les vases clos sont équipés, à leur partie supérieure, d'une membrane de cloisonnement essentiellement verticale s'étendant jusqu'à proximité du lit de zéolites de façon à favoriser l'établissement d'un flux turbulent des effluents à traiter à ce niveau et obtenir ainsi les échanges physico-chimiques souhaités. Il est, en outre, à noter qu'après le traitement d'une bâchée, on peut ne renouveler que partiellement les pièges à zéolites (sur quelques centimètres en surface) qui sont relativement onéreux alors qu'il est préférable de renouveler totalement le lithothamnium dont le coût est nettement moins élevé. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'installation comporte une troisième boucle de traitement montée en dérivation sur le réacteur et équipée d'un filtre. Ce filtre peut avantageusement être constitué par un filtre de type Sartorius s ayant un seuil de coupure de l'ordre de 5 y. Les caractéristiques du procédé et de l'installation qui font l'objet de l'invention seront décrites plus en détail en se référant aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est un schéma représentatif de l'installa tion, - la figure 2 est une vue schématique de la première boucle de traitement, - la figure 3 est une vue schématique de l'un des vases clos de la seconde boucle de traitement. Conformément à la figure 1, les effluents, en particulier les effluents vinicoles provenant d'une cave A, passent par un dispositif de dégrillage D connu en luimême, puis sont rassemblés dans une cuve de stockage B avant d'être transférés selon une flèche a par bâchée, dans un réacteur C. Le réacteur C est muni à sa partie inférieure d'organes de bullage 1 recouverts d'une toile caoutchoutée micro perforés permettant de diffuser à l'intérieur du réacteur C des microbulles d'air ou d'oxygène. Selon le choix retenu, le gaz provient d'un compresseur d'une turbine ou de bouteilles de gaz liquides. Avant chaque cycle de traitement, le contenu du réacteur C est ensemencé par une flore bactérienne particulière à laquelle on fournit en permanence des nutriments adaptés. Pendant ce traitement, d'une durée moyenne de 10 jours, on établit à la partie interne du réacteur C un déplacement dynamique constant des effluents à traiter en les faisant circuler en continu selon le flèches b, c et g dans trois boucles de traitement I, II et III qui seront décrites plus en détail dans la suite de cet exposé et sont chacune montées en dérivation sur le réacteur C. À la fin du traitement, les effluents épurés sont transférés dans une cuve de décantation E dans laquelle on les maintient, au maximum, environ 10 jours, c'est-à-dire pendant le traitement de la bâchée suivante et on recueille ainsi une boue qui est transférée selon la flèche d vers une distillerie industrielle ainsi qu'un li quide clarifié qui est transféré selon la flèche e dans un dispositif tertiaire spécifique de filtration F pouvant, selon les contraintes d'environnement, comporter un étage d'oxydation avant d'être rejeté selon la flèche f vers une station d'épuration ou directement vers l'extérieur. Un système de pompes, non représenté, permet bien entendu d'effectuer les différents transferts. Selon la figure 2, la première boucle de traitement I, dans laquelle les effluents circulent de bas en haut selon les flèches b, renferme un cylindre 2 rempli environ aux 2/3 de granulats de lithothamnium, c'est-à-dire d'une algue dont le squelette est essentiellement constitué de carbonate de calcium dont le rôle est d'agir en tant que correcteur de pH et de fixer une première fraction de la biomasse. Une cloison perforée en PVC 3 prévue à la partie inférieure du cylindre 2 permet de répartir les effluents entrant dans celui-ci et d'éviter tout colmatage. Selon les figures 1 et 3, la seconde boucle de traitement II dans laquelle les effluents circulent approximativement horizontalement selon les flèches c, renferme une batterie 4, de vases clos 5 montés en ligne et en colonnes. Bien entendu, le nombre de trois colonnes de quatre vases clos 5 représenté sur la figure 1 ne correspond qu'à un exemple de configuration qui ne doit, en aucune manière, être considéré comme étant limitatif de l'invention. Selon la figure 3, chaque vase clos 5 est rempli à sa partie intérieure par un lit de granulats de zéolites naturels. Une membrane de cloisonnement 7, essentiellement verticale, subdivise la partie supérieure des vases 5 en deux compartiments 51, 52, et se prolonge jusqu'à proximité de la surface 8 du lit de zéolites 6. Les effluents à traiter pénètrent selon la flèche c à la partie supérieure de chacun des vases clos 5 et affleurent tangentiellement la surface 8 du lit de zéolites 6 en n'y pénétrant que sur quelques centimètres. La présence, a ce niveau, à l'extrémité de la cloison 7 permet l'établissement d'un flux turbulent des effluents à traiter et empêche tout colmatage. Selon la figure 1, la troisième boucle de traitement III, dans laquelle les effluents circulent selon les flèches g, est équipée d'un filtre G de type Sartorius * ayant un seuil de coupure d'environ 5 , dont le rôle est de diminuer les dimensions des colonies bactériennes. REVENDICATIONS 10) Procédé de traitement d'effluents fortement chargés en composés organiques et en particulier des effluents des caves de vinification préalablement à leur rejet en station d'épuration ou directement dans la nature, caractérisé par la succession des étapes suivantes - on rassemble les effluents à traiter dans une cuve de stockage (B) après les avoir au préalable dégrillés, - on transfère les effluents par bâchées successives dans un réacteur de traitement (C) que l'on ensemence par une flore bactérienne, de préférence de la famille des Pseu domonas, associée à des nutriments adaptés de façon à faire subir à ces effluents une épuration biologique, - on établit dans le réacteur (C) un déplacement dynamique constant des effluents en les faisant circuler en continu dans au moins une boucle de traitement (1, 11) montée en dérivation sur le réacteur (C) et renfermant des éléments de fixation d'une fraction de la biomasse, - on fait séjourner les effluents dans le réacteur (C) pen dant environ 10 jours en maintenant la circulation en permanence et en ajoutant, le cas échéant, régulièrement des nutriments, - on transfère les effluents épurés dans une cuve de décan tation (E) dans laquelle on les maintient au maximum pen dant le traitement de la bâchée suivante de façon à recueillir une boue et un liquide clarifié, et - on transfère la boue vers le système d'épuration de la distillerie industrielle et le liquide clarifié, le cas échéant, préalablement filtré et oxydé à une station d'épuration ou on le rejette directement dans la nature. 20) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pendant le traitement dans le réacteur (C), on insuffle constamment de l'air ou de l'oxygène sous forme de microbulles à la partie inférieure de celui-ci. 30) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, lorsque l'on transfère les effluents par bâchées successives dans le réacteur de traitement (C), on conserve tout ou partie des boues de la bâchée précédente. 40) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que, pendant le traitement dans le réacteur (C), on fait circuler en permanence les effluents dans deux boucles de traitement indépendantes renfermant, chacune, des éléments de fixation de la biomasse, ce à des débits réguliers et de même niveau, à savoir, d'une part dans une première boucle de traitement (1) dans laquelle on fait circuler les effluents de bas en haut et on effectue une correction du pH et une fixation d'une première fraction de la biomasse et, d'autre part, dans une seconde boucle de traitement (II) dans laquelle on fait circuler les effluents substantiellement horizontalement et on effectue un piégeage des molécules de faible poids moléculaire et une fixation d'une seconde fraction de la biomasse. 50) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, pendant le traitement dans le réacteur (C), on fait circuler, en permanence, les effluents dans au moins une troisième boucle de traitement indépendante (III) renfermant un filtre (G). 60) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'on maintient la température des effluents présents dans le réacteur à environ 28-30'C notamment à l'aide de cannes chauffantes. 70) Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle comporte un réacteur (C) destiné à recevoir les effluents vinicoles à traiter et muni d'organes d'insufflation d'air ou d'oxygène (1) à sa partie inférieure ainsi qu'une première et une seconde boucles de traitement (I, II) montées chacune en dérivation sur le réacteur (C) et équipées chacune d'organes de réception de supports granulaires poreux susceptibles de fixer une fraction de la biomasse. 80) Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce que la première boucle de traitement (I) comporte un récipient (2), notamment un cylindre, renfermant des granulats d'une algue calcique de forte porosité le lithothamnium constituant les supports granulaires susceptibles de fixer une fraction de la biomasse. 90) Installation selon la revendication 8, caractérisés en ce que le récipient (2) renfermant les granulats de lithothamnium est équipé, à sa partie inférieure, d'une cloison perforée (3) ayant pour rôle de répartir les effluents à son entrée et d'éviter tout colmatage. 100) Installation selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisée en ce que les organes de réception de support s granulaires poreux de la seconde boucle de traitement (II) sont constitués par une batterie (4) de vases clos (5) montés en lignes et en dérivation et partiellement remplis de granulats de zéolites, de préférence de zéolites naturelles. 110) Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce que le flux d'effluents à traiter pénètre dans les vases clos successifs (5) par leur partie supérieure et affleure tangentiellement la surface (8) du lit de zéolites (6) en n'y pénétrant que sur quelques centimètres, de façon à exclure tout colmatage. 120) Installation selon la revendication 11, caractérisée en ce que les vases clos (5) sont équipés, à leur partie supérieure, d'une membrane de cloisonnement (7) essentiellement verticale s'étendant jusqu'à proximité du lit de zéolites (6) de façon à favoriser l'établissement d'un flux turbulent des effluents à traiter à ce niveau. 130) Installation selon l'une quelconque des revendications 7 à 12, caractérisée en ce qu'elle comporte une troisième boucle de traitement (III) montée en dérivation sur le réacteur (C) et équipée d'un filtre (G).