Brevet FR2792930A1 — publié le 20001103

La présente invention concerne des structures actives d'épuration, pour le garnissage particulier et la constitution de filtres physico- biologiques dits compacts et destinés principalement à l'assainissement autonome et des petites collectivités. Plus particulièrement ces matériaux et formes induites ou milieux à anisotropie contrôlée, sur une épaisseur de percolation choisie, améliorent l'élimination de l'azote sous sa forme nitrique et celle des bactéries. Les moyens actuels décrits dans de très nombreux brevets et dans la o0 littérature spécialisée, n'apportent pas la solution efficace sur l'ensemble des critères d'élimination de pollutions, c'est à dire, compacte, standard, économique ou, ayant la souplesse nécessaire à une exploitation simplifiée. Les filtres à sables commercialisés, les plus performants, ne sont pas assez efficaces sur la dénitrification, ou le recyclage préconisé implique une surface accrue des filtres. Certains systèmes, stratifiés et granulaires, relativement efficaces sur des témoins de contamination comme les Coliformes fécaux par exemple, se colmatent trop rapidement ou n'acceptent que de faibles charges hydrauliques. Les filtres o les matériaux granulaires sont remplacés par la laine de roche OU des matériaux organiques stables et dans des formes appropriées, progressent dans la performance sur certains paramètres de traitement, mais avec des contraintes encore trop importantes. La présente invention a donc pour objet principal de remédier à ces inconvénients, en proposant d'une part ces structures actives nouvelles dans leur composition,formes, simples ou mélanges composites, planes ou non, fibreuses, granulaires, composées de substrats ou séquestrantes, supports physiques, chimiques, biologiques et hydrodynamiques, renouvelables ou non, compressibles ou non, et d'autre part des modes d'utilisation formant des réacteurs individuels ou non et, travaillant en associations anisotropes, partiellement renouvelables. A cet effet la présente invention concerne le choix de matériaux, structures préexistantes ou non, et de modes de réalisation des macro structures actives suivantes: - Membrane structure active de répartition semi-perméable, de plus ou moins grande surface, en position quelconque par rapport à la verticale, une ou des fractions de la surface se différentiant au moins sur un critère, en particulier hydraulique, Membrane structure de distribution de substrats organiques et autres produits, mobile ou non, pouvant stimuler les transformations ou séparations, - Membrane structure à propriétés physiques, pour tout ou partie, de o0 chauffage d'une culture biologique par exemple dénitrifiante, désinfection par contact, désinfection par message électrique calibré, - Membrane filtrante ou de contact, mobile ou non, pour l'extraction du phosphore, de polluants réfractaires ou spécifiques, combinant une matrice fibreuse ou enveloppe et des matériaux séquestrants renouvelables, Egalement à cet effet, tout ou partie de microstructures actives, sont utilisables préférentiellement en mélange, en constituant des micro réacteurs, ayant une fonction, physique, chimique, biologique, ou mixte: - Pour l'aération de proximité, en liaison avec un réseau primaire, - Comme compartiment en anoxie ou échangeur d'électrons, - En suscepteurs ou matériaux actifs, émetteur de chaleur, à propriété de surface conducteur, désinfectant, séquestrant, perméable en grand, capillaire, réservoir imperméable ou non, fournisseur de substrat et activateur, notamment, - En faisant appel à des matériaux de toute origine, préférentiellement des fibres polymères ou naturelles, en mélange ou non avec des grains, neutres ou actifs, notamment. A partir de matériaux naturels ou industrialisés, il devient possible de réaliser, au moyen d'opérations simples, l'ensemble des matériaux structures, particulièrement adaptés à la séparation de phases, à la fixation biologique, à l'extraction de polluant et à la bonne distribution des fluides, pour chaque critère de traitement et tout au long du cheminement de transformations complexes et interactives. Les supports ainsi créés sont adaptés à être placés facilement et en proportions et positions adéquates, dans une enceinte, réacteur d'épuration. De préférence ces matériaux structures actives sont utilisables, dans les filtres biologiques modernes, pour leur optimisation, filtres à base de sable, tourbe et laine de roche et autres matériaux. Ils trouvent leur meilleure application dans des réacteurs spécifiques nouveaux. Des modèles principaux d'exécution sont décrits et illustrés ci-après à titre d'exemple: - La figure 1 est une vue en coupe des dispositifs illustrant le positionnement des structures actives dans un réacteur compartimenté, - La figure 2 est une variante associée à un filtre de traitement tertiaire, La figure 3 illustre le concept de fonctionnement hydrodynamique, - La figure 4 représente quelques modèles de structures actives De préférence le dispositif général innovant permettant la meilleure to utilisation des matériaux structures destinés à l'épuration de fluides est équipé, d'un compartiment d'alimentation (1), en provenance d'un réservoir, d'un premier niveau membranaire (2), réunissant un support semi-perméable non homogène et composite (3), séparateur et régulateur de distribution, surmonté d'un module d'extraction et de régulation (4). A la suite de ce dispositif d'entrée, le compartiment suivant (5), préférentiellement fibreux accueille en mélange les microstructures suivantes, boules creuses nids d'abeille (6) ou flocons fibreux, chips formant cuvettes(7) simples ou composites, nappes de fibres de roche calandrées (8) ou pressées, par exemple, matériaux structures et permettant un mélange ou une association intime des gradients rédox, humidité, ventilation, et une connexion maîtrisée avec un réseau de ventilation primaire (9), sa vocation principale étant l'épuration carbonée et secondairement la dénitrification. Un deuxième niveau membranaire et de régulation spécifique (10), limite ce compartiment. Le troisième compartiment (11), est dans sa forme privilégiée, réservé principalement à la dénitrification, le troisième niveau membranaire (12), permettant la constitution de nappes (13), à l'intérieure desquelles peuvent circuler des rubans chauffants (14) pouvant fonctionner a l'énergie solaire, nappes se constituant autour de reliefs avec surverses (15). Dans ce compartiment ainsi constitué, des volumes creux (16), sont réservés à l'injection de substrats carbonés à minéralisation contrôlée, en suspensions lourdes (17) ou par noria entraînant un complexe fourreau substrat actif (18) ou textile substrat. Le compartiment suivant (19) simplement fibreux par exemple peut parfaire la pollution carbonée et azotée tout en poursuivant l'élimination des pathogènes. Un quatrième niveau membranaire (20), en communication avec un réservoir vidange l'ensemble du système principal d'épuration décrit. Il peut comporter un niveau suscepteurs (21) ou matériaux transmettant des influx spécifiques électriques dopant l'élimination des pathogènes en déficit de nutriment. Le quatrième compartiment (22), peut être un simple bac, ou préférentiellement recevoir, une continuité capillaire (23), comme le compartiment de dénitrification en noria ou injection de mélange des matériaux structures actives (24), pour l'élimination les pathogènes, l'élimination du phosphore et/ou de polluants non dégradés ou piégés dans le système principal. Dans une autre réalisation particulière, la finition de l'épuration peut se réaliser dans un filtre horizontal (25), dit tertiaire en mélangeant des fibres io et des microstructures actives en noria ou en cartouches consommables (26). Dans une autre réalisation particulière et pour faciliter la mise en oeuvre de la solution principale, il est proposé d'utiliser une réservation centrale (27) qui peut également être en rapport avec un silo à boues (28), équipé d'un dispositif d'extraction. Pour le filtre tertiaire, utilisable en association ou seul, à vocation simple ou multiple, il est proposé de le rendre indépendant, positionné en surface, pour éviter des surprofondeurs et faciliter l'exploitation des cartouches actives, pour des renouvellements autant que de besoin de préférence annuels. Dans une application particulière, les structures actives, sont réalisées, sélectionnées, et positionnées de la manière suivante: - Les matériaux fibreux, utilisables en vrac ou nappes plus ou moins régulières et composites, subissent pour tout ou partie des traitements secondaires d'induration, de mouillabilité contrôlée, de compression de cardage, de calandrage et autres traitements appropriés, pour établir des hétérogénéités contrôlées et gradients de porosités. Par exemple une nappe de laine de roche (29), après traitement présente un micro-relief de distribution et des gradients de porosités drainantes ou capillaires, avec une répartition dans l'espace des fonctions principales hydrauliques, de ventilation et biologiques. Un autre mode de réalisation consiste à associer en discontinu, sur tout ou partie d'une section de transit de réacteur des alternances de plages de matériaux, par exemple des géotextiles drainants ou capillaires, dans un maillage serré plus ou moins épais (30) définissant des zones aérobies et anaérobies proches pour échanges (31) et des zones hydrauliquement plus actives. - A l'intérieur d'une matrice fibreuse ou granulaire sont incorporés des formes réservoirs chips (32) ou petits réservoirs équivalents, qui dans une formulation particulière ont une paroi poreuse (33), neutre ou porteuse de substrat carboné et autres produits actifs, favorables a la dénitrification biologique. Dans une matrice fibreuse, granulaire ou mixte, les chips en proportion notable, favorisent également la distribution horizontal des fluides et limitent ou orientent les passages préférentiels. Organiques ou non, flottants ou non, ils peuvent constituer la source progressive d'apport de carbone pour la dénitrification ou d'autres matériaux actifs en épuration. - Des micro réacteurs composites, structures actives (34) sont réalisables à partir de flocons fibreux, avec addition ou non de poudres et encapsulation partielle par résine ou colle appropriée ou traitement thermique, réalisables également avec les mousses ou grains formant grumeaux (35) ou structures de formes variées utilisables en vrac. - Une forme particulièrement attractive est signalée pour sa capacité à créer des gradients d'humidité, de perméabilité et d'aération, sous forme de pinceaux (36) ou de brosses (37) ou tapis fibreux à points de compression localisés, fixes ou mobiles (38). Des structures de ce type sont particulièrement préconisées en zones à vocation de traitement de l'azote. - La facilité de distribution des substrats étant essentielle en optimisation de l'épuration, par exemple de l'azote, la boucle noria d'alimentation, constituée d'un réservoir diffusant (39) par exemple géotextile et matière organique, circule dans un réservoir préférentiellement tubulaire et munis d'ouvertures d'échanges (40), plus ou moins immergée en nappe ou milieu saturé. Une autre disposition se limite à des canalisations d'injection, de vidange, distribuant des structures actives, par exemple de la matière organique à biodégradation progressive ou pilotée par un moyen approprié. Le principe général de fonctionnement est illustré par la figure (3), ne faisant apparaître que les compartiments et habillages principaux avec les structures actives et pour deux modèles particuliers de réalisation: Dans un premier modèle (41), à nombre de compartiments réduits, rl'effluent est introduit dans un réservoir associé à une première membrane (42), les matières en suspension sont bloquées et extraites par vidange gravitaire et raclage manuel. Dans le compartiment suivant (43), regroupant une fraction significative des fonctions décrites précédemment, l'effluent est épuré progressivement par une matrice fibreuse, par exemple de la laine de roche, dans laquelle sont introduits les micro-structures (44) et structures spécifiques de régulation et réservoirs (45), dans le haut du réacteur l'épuration carbonée et la nitrification dominent (46), au milieu la dénitrification domine (47) et en bas, l'élimination des pathogènes domine (48) par la nature des matériaux suscepteurs, par exemple émetteurs d'un message électrique létal. Un simple drainage (49), élimine l'effluent traité. Dans un second modèle, le schéma fait apparaître dans l'étage principal décrit ci-dessus une noria de distribution de carbone (50) et en sortie un réservoir actif contenant des textiles drainants cultures fixées (51), des cartouches d'extraction de phosphore (52), des électrodes géogrilles conductrices ou matériaux contacts de désinfection (53). Un second réacteur, alimenté par pompage solaire, filtre horizontal, est tout fibreux (54) et ménage des emplacements pour des cartouches actives facilement accessibles (55). Le réservoir à fonction relèvement liant les systèmes, filtres l0 vertical et horizontal, peut être cloisonné pour servir de silo à boues (56). Les structures actives et formes de réacteurs, objet de la présente invention, ne sont pas limitées aux modes de réalisations choisies et représentées, de nombreuses autres variantes restent à la porté de l'homme de l'art, pour de nombreuses applications de traitement s de fluides, principalement les eaux usées, mais également des effluents gazeux odorants ou plus ou moins toxiques. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'épuration, pour le garnissage et la constitution de filtres physico-biologiques, caractérisé en ce qu'il comporte des membranes structures actives et microstructures actives, à anisotropie contrôlée: Membrane structure de répartition semi-perméable, en position quelconque par rapport à la verticale, des fractions de surface se différenciant au moins par un critère, en particulier hydraulique, Membrane structure mobile pour la distribution de substrats et autres produits, Membrane structure à propriétés physiques de chauffage d'une culture biologique, ou de désinfection par contact ou électrique, Membrane filtrante ou de contact mobile, pour l'extraction de phosphore, de polluants réfractaires ou spécifiques, combinant une matrice fibreuse ou enveloppe et matériaux séquestrants renouvelables. Microstructures actives d'épuration en mélange ayant une fonction physique, chimique, biologique ou mixte caractérisées en ce qu'elles sont utilisables en microréacteurs: en aération de proximité en liaison avec un réseau primaire, comme compartiment en anoxie, en suscepteurs ou matériaux actifs, émetteur de chaleur, conducteur, désinfectant, séquestrant, perméable en grand, capillaire, réservoir, fournisseur de substrat et activateur, pour tout ou partie. Mélanges ou associations anisotropes des membranes structures et microstructures actives. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des matériaux structures actives d'épuration des matériaux structures d'alimentation, niveau membranaire (2) réunissant un support semi- perméable non homogène et composite (3) séparateur et régulateur de distribution, surmonté d'un module d'extraction et de régulation (4). 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des matériaux structures actives en compartiment (5) préférentiellement fibreux, avec en mélange des microstructures, boules creuses nids d'abeille (6) ou flocons fibreux, chips formant cuvettes (7) simples ou composites, nappes de fibres calandrées (8) ou pressées, permettant un mélange ou association de gradients rédox, d'humidité, de ventilation. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des matériaux structures actives, principalement pour la dénitrification, niveau membranaire (12) permettant la constitution de nappes (13) avec des rubans chauffants (14), autour de reliefs avec surverses (15) avec des volumes creux (16) réserves de substrats carbonés à minéralisation contrôlée et en suspensions lourdes (18) ou microstructures, ou par noria entraînant un complexe fourreau substrat actif (18) ou textile substrat. 5 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des matériaux structures actives, niveau membranaire (20) avec un niveau suscepteur (21) transmettant notamment des influx spécifiques électriques dopant l'élimination des pathogènes. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte dans un bac tout ou partie des fonctions suivantes, une continuité capillaire (23), une dénitrification en noria, une injection de matériaux (24) pour l'élimination de pathogènes ou de polluants, dans une réservation (27) un silo à boues (28) et son dispositif d'extraction. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il concerne un filtre horizontal, mélange anisotrope de fibres et microstructures actives, en noria ou cartouches (28). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte, principalement pour l'épuration carbonée et azotée, tout ou partie de matériaux fibreux et autres réacteurs composites utilisables en nappe ou vrac, préférentiellement après traitements secondaires, d'induration, de mouillabilité contrôlée, de compression, de cardage, ou de calandrage, pour établir des hétérogénéités et gradients de porosités: Nappe de laine de roche (29) ou équivalent, avec microreliefs de distribution et porosités drainantes ou capillaires, avec une répartition dans l'espace des fonctions hydrauliques, biologiques et de ventilation, Dans une section de transit de réacteur, alternance de plages de matériaux géotextiles drainants et capillaires, dans un maillage serré plus ou moins épais (30), définissant des zones aérobies et anaérobies proches pour échanges (31) et zones hydrauliquement plus actives, Dans une matrice fibreuse ou granulaire ou mixte, incorporation de réservoirs chips (32) ou petits réservoirs équivalents, notamment avec paroi poreuse (33) neutre ou porteuse de substrat carboné et autres produits actifs, en proportion notable favorisant la distribution des flui4es et les passages préférentiels, Microréacteurs composites (34) à partir de flocons fibreux ou grains formant grumeaux (35), pinceaux (36), brosses (37) tapis fibreux à points de compression localisés, ayant la capacité de créer des gradients d'humidité, de perméabilité et d'aération, Boucle noria constituée d'un réservoir diffusant (39) géotextile et matière organique à biodégradation progressive ou pilotée, circulant dans un réservoir préférentiellement tubulaire, avec ouvertures d'éçhange (40). 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, o0 caractérisé par l'usage spécifique de structures actives uniques ou structures combinées partielles, pour toute épuration.