Brevet FR2760739A1 — publié le 19980918

Dispositif pour la filtration ascendante des eaux résiduaires à lit granulaire multi-couches. L'invention concerne le domaine du traitement de l'eau par voie biologique en vue de son épuration. Plus précisément, l'invention se rapporte à un dispositif biologique de filtration incluant un lit fixe granulaire immergé sur lequel est fixé une biomasse, et dans lequel l'eau à traiter et un gaz oxygéné sont envoyés à co-courants ascendants. L'utilisation de tels lits filtrants dans le domaine de l'épuration biologique de l'eau est connue depuis longtemps. Ils permettent d'une part de débarrasser les eaux traitées des matières en suspension qu'elles contiennent et d'autre part de dégrader par voie biologique la pollution organique contenue dans ces eaux. On connaît ainsi dans l'état de la technique des dispositifs intégrant de tels lits filtrants constitués d'une seule couche de matériau granulaire fin, tel que du sable, du schiste expansé ou de l'argile expansé. Les eaux traitées par ce type de dispositif doivent subir un traitement préalable (dégrillage,dégraissage et dessablage, décantation) visant à les débarrasser au maximum des impuretés qu'elles contiennent et qui conduiraient à un colmatage très rapide du lit filtrant. Un tel dispositif est notamment décrit dans le brevet français FR 2557558. D'autres dispositifs plus perfectionnés mettent en oeuvre des lits filtrants constitués de plusieurs couches de matériaux granulaires, tels que par exemple du sable ou du gravier, présentant des granulométries décroissantes selon le sens ascendant de filtration. Ces dispositifs perfectionnés peuvent être utilisés pour traiter les eaux brutes en s'affranchissant du traitement préalable mentionné ci-dessus ou en limitant celui-ci à une simple étape de dégrillage, dégraissage et dessablage. C'est plus précisément à ce type de filtre multi-couches que se rapporte la présente invention. Un dispositif multi-couches de ce type est décrit notamment dans le brevet français FR 2689494 dans lequel l'eau à traiter et le gaz oxygéné sont amenés et mélangés dans une chambre inférieure délimitée par le plancher supportant le matériau granulaire et le fond du filtre, par l'intermédiaire de moyens d'injection débouchant dans cette chambre inférieure et disposés intégralement sous le plancher support. Le lit granulaire est périodiquement débarrassé de ses impuretés par envoi d'un courant ascendant d'eau de lavage et de gaz oxygéné de lavage amené également par l'intermédiaire de moyens d'injection débouchant dans la chambre inférieure et disposés intégralement sous le plancher support. Le principal inconvénient d'un tel dispositif de filtration est constitué par le fait qu'il ne peut être utilisé que pour traiter la pollution carbonée de l'effluent y transitant, ainsi qu'éventuellement pour nitrifier cet effluent (c'est-à-dire dégrader l'azote ammoniacal en nitrates) mais qu'il n'autorise pas une dénitrification de l'effluent (c'est-àdire une dégradation des nitrates en nitrites puis en azote gazeux). En effet, une telle dénitrification impose la présence d'une zone non aérée dans le filtre permettant aux bactéries hétérotrophes de consommer l'oxygène des nitrates en absence d'oxygène moléculaire. Une telle zone ne peut être obtenue dans le filtre décrit dans le brevet français FR2689494 dans la mesure où les moyens d'injection d'air sont prévus dans la zone inférieure du filtre et qu'ils ne peuvent autoriser que l'aération de l'intégralité du lit granulaire sans pouvoir ménager de zone anoxique dans celui-ci. Cet inconvénient a été partiellement résolu grâce au dispositif de filtration décrit dans le brevet européen EP0265303 au nom de la Déposante selon lequel, les moyens de distribution d'un gaz oxygéné sont installés au sein même du lit granulaire, à une certaine hauteur du plancher supportant celui-ci, de façon à ménager une zone non desservie par les moyens de distribution d'un gaz oxygéné. Grâce à un tel positionnement des moyens de distribution de gaz oxygéné, ce type de filtre permet de réaliser une zone inférieure fonctionnant en anaérobiose et une zone supérieure fonctionnant en aérobiose, zones propices à la mise en oeuvre des étapes d'hydrolyse de la DCO et de nitrification et dénitrification. Toutefois, ce dispositif présente l'inconvénient de ne permettre qu'un traitement partiel de la pollution carbonée, sa zone aérée étant restreinte du fait du positionnement des moyens d'aération. De plus, ce dernier type de filtre présente quant à lui l'inconvénient de poser un problème constitué par le lavage de son lit granulaire. En effet, la nature des eaux traitées conduit irrémédiablement au colmatage de celui-ci après un certain temps d'utilisation en mode de filtration. I1 est donc périodiquement nécessaire de le laver. Classiquement, un tel lavage est effectué par envoi dans le lit filtrant de courants d'eau de lavage et d'air de lavage à co-courants du sens de filtration. Dans le cas du présent filtre, compte-tenu de la position des moyens de distribution d'air, l'air de lavage ne peut agir sur la partie inférieure du lit. L'efficacité du lavage s'en trouve amoindrie et les opérations de lavage doivent être effectuées plus fréquemment. L'objectif principal de la présente invention est de proposer un dispositif de filtration biologique fonctionnant en filtration ascendante et intégrant un lit fixe constitué d'une superposition de couches de matériaux granulaires permettant à la fois d'assurer la dégradation biologique de la pollution carbonée et azotée de l'effluent y transitant, et présentant des moyens facilitant son lavage. Cet objectif est atteint grâce à l'invention qui concerne un dispositif pour la filtration ascendante des eaux résiduaires en vue de leur épuration par voie biologique incluant un lit filtrant immergé supporté par un plancher support, ledit lit filtrant étant constitué d'une pluralité de couches superposées de matériaux granulaires de granulométries décroissantes selon le sens de filtration et ensemencées par une biomasse, des moyens d'amenée des eaux à traiter et/ou d'eau de lavage et des premiers moyens d'amenée d'air ou d'un autre gaz oxygéné, de traitement et/ou de lavage prévus à proximité dudit plancher-support, et des moyens d'évacuation de l'eau traitée prévus dans sa partie supérieure, dispositif caractérisé en ce que ledit lit filtrant est muni de second moyens d'amenée d'air ou d'un autre gaz oxygéné, disposés à l'intérieur dudit lit filtrant à une distance H dudit plancher-support comprise entre 0,5 m et 3 m et en ce qu'il comprend des moyens de recyclage d'au moins une partie des eaux traitées et des moyens de rétrolavage dudit lit filtrant par un liquide de rétrolavage. On notera que les premiers moyens d'aération pourront être prévus sous ledit plancher-support comme prévu dans l'état de la technique, mais qu'il pourra également être envisagé de les prévoir juste au dessus de ce plancher support, à une distance H' de celui-ci comprise entre 0 et lm, la distance H' étant toujours inférieure à la distance H séparant le plancher support des seconds moyens d'aération. Ainsi, la présente invention permet d'atteindre les objectifs cités ci-dessus grâce à l'utilisation de premiers et à de seconds moyens distincts d'amenée d'air ou d'un autre gaz oxygéné dans le lit filtrant, les premiers étant prévus sous ou juste au-dessus de celui ci, les seconds étant prévus à l'intérieur de celui-ci. Une telle configuration permet de configurer facilement, et en fonction des besoins, le dispositif de filtration, pour autoriser: - le traitement de la pollution carbonée seule ou le traitement de la pollution carbonée et la nitrification de l'effluent, en ne mettant en oeuvre que lesdits premiers moyens d'amenée d'air de traitement installés sous ou juste au-dessus du lit filtrant ; ou, en fonction des besoins, - la dénitrification de l'effluent, en ne mettant en oeuvre que lesdits seconds moyens d'amenée d'air de traitement installés au sein du lit filtrant. Une telle configuration permet de plus d'optimiser l'opération de lavage du lit par distribution d'air de lavage grâce auxdits premiers moyens d'amenée d'air, éventuellement concomitamment à la distribution d'eau de lavage, et en faisant précéder ce lavage de purges par envoi en courant descendant d'un liquide de rétrolavage par lesdits moyens de rétrolavage. Ces purges peuvent par ailleurs être déclenchées au cours des cycles de filtration, entre deux lavages ascendants consécutifs. Le nombre de couches de matériaux filtrants constituant le lit filtrant du dispositif selon l'invention, ainsi que la hauteur de ces couches et leurs granulométries respectives seront déterminés en fonction de l'utilisation qui sera faite de celui-ci (traitement de la pollution carbonée uniquement, de la pollution ammoniacale, de la pollution azotée totale...). Toutefois, la Déposante a établi que certains choix particuliers relatifs à ces critères conduisait à des résultats particulièrement bons d'épuration. Ainsi, préférentiellement, le lit filtrant est constitué, selon le sens ascendant de filtration: - d'une couche-support pouvant elle-même être constituée d'une seule couche, de deux sous-couches ou de trois sous-couches de matériaux granulaires, - d'une couche intermédiaire d'un matériau granulaire, et, - d'une couche supérieure d'affinage pouvant être constituée d'une seule couche de matériau granulaire ou de deux sous-couches de matériaux granulaires. Selon une autre variante préférentielle, ladite couche-support présente une hauteur comprise entre 10 et 90 cm, ladite couche intermédiaire présente une hauteur comprise entre 30 et 80 cm et ladite couche supérieure d'affinage présente une hauteur comprise entre 0,5 et 4 m. Egalement avantageusement, la couche-support présente une granulométrie moyenne comprise entre 10 et 100 mm, ladite couche intermédiaire présente une granulométrie moyenne comprise entre 4 et 12 mm, et ladite couche supérieure d'affinage présente une granulométrie moyenne comprise entre 1 et 7 mm. Lorsque l'on choisira de réaliser la couche support sous la forme de deux ou trois sous-couches de matériaux granulaires, chacune de celle-ci présentera préférentiellement une hauteur comprise entre 10 et 30 cm, la première sous-couche présentant une granulométrie comprise entre 40 et 100 mm, la deuxième sous-couche présentant une granulométrie comprise entre 20 et 50 mm et la troisième sous-couche présentant une granulométrie comprise entre 10 et 20mm. De même, lorsque l'on choisira de réaliser la couche supérieure d'affinage sous la forme de deux sous-couches de matériaux granulaires la première sous-couche présentera préférentiellement une granulométrie comprise entre 3 et 6mm et la deuxième sous-couche une granulométrie comprise entre 2 et 7 mm. En ce qui concerne les matériaux granulaires constituant les différentes couches du lit filtrant, ceux-ci seront avantageusement choisis dans le groupe constitué par les galets, les graviers, le sable, les argiles, le schiste et la pouzzolane. Selon une variante préférentielle de l'invention, lesdits seconds moyens de distribution d'air ou d'un autre gaz oxygéné sont reliés à des moyens de distribution d'un liquide de nettoyage. Egalement selon une variante de l'invention, le dispositif pourra éventuellement inclure des moyens de recyclage d'au moins une partie de l'effluent traité, permettant de ramener les nitrates formée dans la zone aérobie vers la zone en anoxie et ainsi à la fois de débarrasser complètement l'effluent de sa pollution azotée par nitrification-dénitrification. L'invention, ainsi que les différents avantages qu'elle présente seront plus facilement compris grâce à la description qui va suivre d'un mode non limitatif de réalisation de celle-ci en référence à la figure unique qui représente une vue schématique en coupe d'un dispositif de filtration biologique à lit granulaire multi-couches selon I'invention. En référence à la figure 1, le filtre biologique selon l'invention comprend un lit filtrant granulaire fixe immergé 1 ensemencé par une biomasse et supporté par un plancher support 2 incluant un caillebotis et délimitant une chambre inférieure 6. Le filtre est équipé à sa base de moyens d'amenée 4 d'eau à traiter, ou d'eau de lavage incluant deux canaux de distribution 4a disposés parallèlement entre eux à l'intérieur de la chambre inférieure 6 et pourvus chacun de plaques d'équirépartition du débit d'eau distribué par ces canaux. Le dispositif comprend également des premiers moyens d'amenée d'air 5 incluant une rampe d'aération 5a installée sous le plancher 2 ainsi que des seconds moyens d'amenée d'air 15 incluant une rampe d'aération 15a installée à l'intérieur du lit granulaire, environ 1,50m au-dessus du plancher-support 2. Cette rampe d'aération 15a est reliée à des moyens permettant de la nettoyer en cas de besoin, incluant des moyens de distribution d'un liquide de nettoyage 17 et des moyens de distribution d'une solution acide 18, ainsi que des moyens de purge 19. Le dispositif permet la filtration biologique ascendante de l'eau à épurer par passage dans la chambre inférieure 6, puis dans le lit filtrant 1, I'eau filtrée dans celui-ci étant évacuée par des moyens d'évacuation 7 incluant une goulotte de section transversale prismatique. Enfin, le dispositif comprend également des moyens de rétrolavage 8 permettant de faire circuler de l'eau filtrée en courant descendant afin de purger le lit filtrant 1 d'une partie de ses impuretés avant le lavage de ce filtre par envoi d'air et/ou d'eau propre en courant ascendant. On notera qu'une zone 12 prévue au-dessus du lit filtrant 1 permet de maintenir dans le filtre une partie de l'eau filtrée. Cette eau filtrée peut servir d'eau de rétro-lavage pour purger le lit filtrant du plus gros des impuretés qu'il retient. De tels rétrolavages sont mis en oeuvre grâce aux moyens 8 prévue dans la partie inférieure du filtre, par exemple avec dénoyage presque complet du lit filtrant lors d'un cycle de filtration ou sans dénoyage du lit filtrant au cours du cycle de lavage. Egalement conformément à la présente invention, le lit filtrant 1 est constitué par la superposition: - d'une couche-support I constituée d'une première sous-couche 3a de galets montrant une granulométrie moyenne comprise entre 40 et 80 mm et d'une hauteur de 20 cm et d'une deuxième sous-couche 3b de galets montrant une granulométrie moyenne comprise entre 20 et 40 mm et d'une hauteur de 20 cm; - d'une couche intermédiaire II constituée d'une seule couche 3c de graviers présentant une granulométrie moyenne comprise entre 6 et 10 mm et une hauteur de 50 cm; - d'une couche supérieure d'affinage III constituée d'une première sous-couche 3d de pouzzolane montrant une granulométrie moyenne comprise entre 2,5 et 5 mm et une hauteur de 1,70 m et d'une deuxième sous-couche 3e de pouzzolane montrant une granulométrie moyenne comprise entre 1 et 3 mm et une hauteur de 1,20 m. Le dispositif décrit peut être utilisé pour débarrasser l'eau de ses matières en suspension ainsi que pour abattre la pollution carbonée et/ou azotée. Grâce à la présence de la rampe intermédiaire, I'effluent peut être dénitrifié. Dans le cadre du traitement de la pollution carbonée et de la nitrification, I'air de traitement est introduit par les premiers moyens d'amenée d'air 5, les seconds moyens d'amenée d'air 15 n'étant pas utilisés. Dans le mode de réalisation représenté à la figure 1, I'intégralité du lit filtrant se trouve alors aéré ce qui permet à la biomasse hétérotrophe présente au sein de celui-ci de disposer de l'oxygène nécessaire pour dégrader la pollution carbonée et à la biomasse autotrophe, également présente, de transformer l'azote ammoniacal en nitrates. Pour dénitrifier l'effluent (dénitrification primaire ou post-dénitrification), de l'air est introduit par les seconds moyens d'amenée d'air 15 incluant une rampe d'aération, les premiers moyens d'amenée d'air 5 n'étant pas mis en oeuvre. Ces seconds moyens d'amenée d'air 15 permettent de ménager une zone anoxique dans la partie inférieure du lit filtrant 1 située sous la rampe intermédiaire d'aération 15a et une zone aérobie dans la partie supérieure de celui-ci située au-dessus de la rampe intermédiaire. La présence d'une zone non aérée permet à la biomasse hétérotrophe présente de consommer l'oxygène des nitrates et ainsi de dénitrifier l'effluent. Lorsqu'une perte de charge prédéterminée est détectée à la sortie du dispositif par des moyens classiques (non représentés), les moyens d'amenée d'air et d'eau 5 et 4 sont coupés et une ou plusieurs courtes chasses d'eau sont effectuées en mettant en oeuvre les moyens de rétrolavage 8. Ces moyens 8 permettent de faire passer rapidement de l'eau propre, constituée par de l'eau épurée par le dispositif présente au-dessus du lit granulaire, selon un courant descendant, au sein du matériau filtrant et ainsi de purger le lit d'une partie important des impuretés qu'il contient. Une fois l'opération de purge effectuée, le cycle de lavage peut être entamé en faisant circuler dans le sens ascendant de l'eau propre et de l'air dans le lit filtrant grâce aux moyens 5 et 4. Des purges (chasses d'eau) peuvent être également utilisées avec profits, indépendamment du lavage ascendant. Lorsque la rampe intermédiaire d'aération 15 a est encrassée, les moyens de distribution d'eau de nettoyage 17 et/ou de solution acide 18 sont mis en oeuvre. Le mode de réalisation de l'invention ici décrit n'a pas pour objet de réduire la portée de celle-ci. I1 pourra donc y être apporté de nombreuses modifications sans sortir de son cadre. En particulier, le lit filtrant pourra être constitué par une superposition de couches de natures et de granulométries différentes de celles mentionnées dans cet exemple de réalisation. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour la filtration ascendante des eaux résiduaires en vue de leur épuration par voie biologique incluant un lit filtrant immergé (1) supporté par un plancher support (2), ledit lit filtrant (1) étant constitué d'une pluralité de couches superposées de matériaux granulaires de granulométries décroissantes (3a,3b,3c,3d,3e) selon le sens de filtration et ensemencées par une biomasse, des moyens d'amenée (4) des eaux à traiter et/ou d'eau de lavage et des premiers moyens d'amenée (5) d'air de traitement et/ou de lavage prévus à proximité dudit plancher-support (2), et des moyens d'évacuation (7) de l'eau traitée prévus dans sa partie supérieure, caractérisé en ce qu'il est équipé de seconds moyens d'amenée d'air ou d'un autre gaz oxygéné, disposés à l'intérieur dudit lit filtrant à une distance H dudit plancher support comprise entre 0,50 m et 3 m et en ce qu'il comprend des moyens de rétrolavage (8) dudit lit filtrant (1) par un liquide de rétrolavage. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits premiers moyens d'aération (5) sont prévus sous ledit plancher-support (2) 3. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits premiers moyens d'aération sont prévus juste au dessus dudit plancher-support, à une distance H' de celuici comprise entre 0 et lm, la distance H' étant toujours inférieure à la distance H. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que ledit lit filtrant (1) est constitué, selon le sens ascendant de filtration, d'une couche-support (I) pouvant être constituée d'une seule couche, de deux sous-couches (3a,3b) ou de trois souscouches de matériaux granulaires, d'une couche intermédiaire (II) d'un matériau granulaire, et d'une couche supérieure d'affinage (III) pouvant être constituée d'une seule couche de matériau granulaire ou de deux sous-couches (3d,3e) de matériaux granulaires. 5. Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que ladite couche-support (I) présente une hauteur comprise entre 10 et 90 cm, en ce que ladite couche intermédiaire présente une hauteur comprise entre 30 et 80 cm et en ce que ladite couche supérieure d'affinage présente une hauteur comprise entre 0,5 et 4 m. 6. Dispositif selon la revendication 4 ou 5 caractérisé en ce que la couche-support (I) présente une granulométrie moyenne comprise entre 10 et 100 mm, en ce que ladite couche intermédiaire (II) présente une granulométrie moyenne comprise entre 4 et 12 mm, et en ce que ladite couche supérieure d'affinage présente une granulométrie moyenne comprise entre 1 et 7 mm. 7. Dispositif selon les revendications 5 et 6 caractérisé en ce que ladite couche support (I) est constituée de deux ou trois sous-couches de matériaux granulaires présentant chacune une hauteur comprise entre 10 et 30 cm, la première sous-couche (3a) présentant une granulométrie comprise entre 40 et 100 mm, la deuxième sous-couche (3b) présentant une granulométrie comprise entre 20 et 50 rnrn et la troisième sous-couche présentant une granulométrie comprise entre 10 et 20mm. 8. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que ladite couche d'affinage (m) est constituée d'une ou deux sous-couches, la première sous-couche (3d) présentant une granulométrie comprise entre 2 et 7 mm et la deuxième sous-couche (3e) présentant une granulométrie comprise entre 1 et 4 mm. 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que lesdits matériaux granulaires constituant les différentes couches du lit filtrant sont avantageusement choisis dans le groupe constitué par les galets, les graviers, le sable, les argiles, le schiste et la pouzzolane. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite couche support (I) est constituée de galets, ladite couche intermédiaire (H) est constituée de gravier, et ladite couche supérieure d'affinage (m) est constituée de pouzzolane. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 caractérisé en ce que lesdits seconds moyens de distribution (15) d'air ou d'un autre gaz oxygéné sont reliés à des moyens de distribution d'un liquide de nettoyage. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendication 1 à 1 1 caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de recyclage d'au moins une partie des eaux traitées. 13. Utilisation du dispositif selon l'une des revendications 1 à 12 caractérisée en ce qu'il est utilisé à certaines périodes en nitrification/dénitrification et à d'autres périodes pour la nitrification seule ou l'abattement de la pollution carbonée.