Brevet FR2795067A1 — publié le 20001222

La présente invention concerne des structures spécifiques d'épuration, en particulier pour le garnissage de bassins et autres séparateurs de particules. Plus particulièrement les matériaux, formes induites, et modes d'usage en milieux immergés ou non saturés, améliorent l'élimination physique et/ou biologique des particules et pollutions associées, plus ou moins toxiques ou biodégradables. Les moyens actuels décrits dans de très nombreux brevets et dans la littérature spécialisée dédiée à l'épuration des effluents concentrés et riches en micropolluants, n'apportent pas la solution économiquement efficace sur l'ensemble des critères d'élimination de pollutions, en particulier des molécules organiques dissoutes complexes de type humus' Ouvrages de traitement de plus en plus multifonctions, le lagunage aéré et les filtres à sable classiques, n'apportent pas les performances suffisantes pour une restitution d'effluents conformes à la réglementa#on dans le milieu récepteur généralement sensible. Des procédés plus modernes tels que l'évaporation et l'osmose inverse, posent des problèmes économiques ou d'adaptation aux fluctuations de flux. La présente invention a donc pour objet principal de remédier à ces inconvénients, en proposant d'une part l'amélioration de l'extraction de composants réfractaires à l'épuration, préférentiellement en prétraitement et, d'autre part de nouvelles formes de dopage des réacteurs à cultures fixées. A cet effet la présente invention concerne le choix de matériaux et structures préexistants ou non, avec les modes principaux de réalisation suivants : # Structure, cloisonnée ou non, de prétraitement de type fosses toutes eaux, à rédox contrôle, à vocation d'élimination continue des métaux sous forme de sulfures et autres complexes, équipé d'une membrane immergée de séparation et d'une vidange préférentiellement hydrostatique des boues, # Structure, cloisonnée ou non, de prétraitement de type fosse toutes eaux, indépendante ou associée, à vocation d'insolubilisatiqn et d'élimination des matières organiques dissoutes principalement réfractaires, faisant appel à une source thermique de contact, en présence d'additifs spécifiques ou non, dopant le changement d'état vers la production de matières en suspension et pour une extraction par filtration et purge hydrostatique ou équivalent, # Structures chauffées à cultures fixées flottantes, or ,ganiques ou non, mixtes, , alimentées en substrats actifs, constituant des compartiments fixes ou mobiles, boucles de traitement, pour lagune ouchenal à marriage et principalement pour l'élimination des pollutions azotées, # Structures de dopage biologique en boucle, le premier étage étant constitué d'un lit bactérien plastique à ruissellement à support chauffé, surmontant un bassin d'anoxie à cultures fixées chauffées et alimentées en substrats principalement microbiologiques et carbonés venant d'un compostage ou équivalent, en alimentation directe ou indirecte, # Structures de traitement tertiaire et d'extraction de boues, combinant une digue filtrante immergée, un filtre biologique non saturé préférentiellement non organique et un filtre hydroponique, suspendu sur bassin cloisonné par digues filtrantes, avec ou sans cartouches, mobiles ou non, adsorbantes ou désinfectantes. A partir de matériaux industrialisés, il devient possible de réaliser, au moyen d'opérations simples, une filière évolutive constituée des structures et compartiments réacteurs, particulièrement adaptée à la séparation de phases à finalité détoxication et à l'élimination poussée de la pollution carbonée et azotée. De préférence ces solutions sont utilisables, dans les ouvrages de prétraitement, fosses et bassins, pour l'élimination des matières en suspension, plus ou moins organiques ou toxiques, préexistantes ou produites par changement d'état. Des modèles principaux d'exécution sont décrits et illustrés ci-après à titre d'exemple : - La figure 1 est une vue en coupe des structures de dopage, préférentiellement en prétraitement, illustrant les fonctions d'épuration et leur positionnement dans des réacteurs types fosses toutes eaux, - La figure 2 rassemble les composantes de dopage liés à l'étage principal d'épuration, dans un modèle lagune aérée à marnage, cultures fixées flottantes ou non, chauffées et à rédox et alimentation contrôlés, - La figure 3 correspond à un étage de finition et de sécurité, couplant Vinfiltration-percolation et l'épuration hydroponique suspendue. De préférence le dispositif général innovant ( figures 1, 2 et 3 ), permettant la meilleure utilisation des structures de dopage, comprend tout ou partie des éléments suivants, Un prétraitement à deux étages combinés ou non, le premier étage ( figure JA ) étant constitué d'une fosse toutes eaux (1) reçoit l'effluent à traiter (2) modifié par ajout ou non de séquestrants d'ions (3), d'un puits de récupération des boues (4) avec extraction hydrostatique (5) ou par pompage, une membrane (6) limitant l'entraînement des matières en suspension. Le second étage ( Figure IB ) privilégie le changement d'état par ajout d'adjuvant, acide sulfurique par exemple (7) et autres molécules ou ions, ce qui implique fréquemment une neutralisation associée en sortie (8). Un chauffage immergé (9), à gaz ou électrique, à parois chaudes raclées (10) ou combustion immergée, des ajouts secondaires ( 11) confortent ou induisent l'insolubilisation de matières organiques dissoutes (12), bloquées sous forme de matières en suspension par une membrane (13), extraites principalement par décantation et extraction hydrostatique (14), ou par flottation. L'effluent ainsi prétraité, détoxiqué et calibré en concentration, à biodégradabilité amélioré et pré-aéré ou non, devient plus accessible au traitement biologique ( 15 ). L'étage principal dit d'épuration secondaire d'effluents organiques concentrés et plus ou moins toxiques, est optimisé à travers l'utilisation de cultures fixées spécifiques dopées par un chauffage localisé, et leur positionnement dans et hors d'une lagune cloisonnée. ou un chenal à mamage. Le premier système à cultures fixées correspond à un compartiment contenant des supports biologiques, fixes ou mobiles, régénérables ou consommables, flottants chauffés (16), e ' n suspension (17) ou attachés à une membrane filtrante (18), le chauffage, liquides ou parois chaudes, étant diffus dans ce compartiment de volume réduit ou associé directement aux matériaux supports. Ce compartiment, flottant (J 9) ou fixe (20), à fond plus ou moins ouvert ou filtrant (21), facilite la récupération de boues (22), avec ou sans recyclage. Des cultures fixées extérieures, en deux boucles étagées ou plus, apportent substrats et ferments microbiens, préférentiellement dans le compartiment chauffé de la lagune, un lit bactérien à ruissellement (23) qui reçoit les jus organiques enrichis d'un compost, par exemple de résidus de maïs et autres matières organiques, arrosé et drainé (24) riche en champignons, bactéries et enzymes. L'effluent transite dans un bassin d'anoxie (25) à cultures fixées chauffées si nécessaire, fixes ou mobiles, qui peut recevoir lui-même directement une fraction des jus organiques. En sortant de ces deux étages externes, l'effluent est recyclé dans les boucles d'épuration et d'enrichissement biologique ou rejoint donc la lagune ou tout autre système biologique comme un chenal par exemple. Les traitements de finition et de sécurité ( Figures 3 ), traitements tertiaires indépendants, avec ou sans recyclage, plus compacts, utilisent également deux étages de cultures fixées, une infiltration-percolgtion (26) sur un milieu bien aéré, de préférence, mélange de grains et de fibres (27) avec en sortie un bassin d'anoxie à cultures fixées mobiles et alimentées en substrat carboné pour doper la dénitrification, et un système hydroponique composite dit suspendu (28) constitué d'une cuve à niveau variable pour maîtriser la ventilation et la mise en #uvre initiale des macrophytes (29), avec un compartiment d'entrée, d'extraction de matières en suspension et de régulation du débit (30), des cloisons filtrantes fibreuses et granulaires avec cartouches amovibles fixes ou mobiles (3 1), définissant des zones d'eau libre avec système racinaire (32) et supportant un niveau organique en végétation reposant sur grille et géosynthétique (33), le compartiment final permettant le rejet et le contrôle de qualité (34). Cet ensemble de structures de dopage, à fonctions complémentaires, permet ainsi d'optimiser le fonctionnement d'une filière d'épuràtion à dominante biologique, notamment, pour les fonctions d'élimination de l'azote et des matières organiques réfractaires. Dans une autre réalisation particulière, tout ou partie des trois étages de dopage sont associés à toute filière de traitement des effluents organiques, plus ou moins concentrés et toxiques, sous forme de modules indépendants et évolutifs. Le principe général de fonctionnement peut être décrit à partir de l'observation du devenir d'une alimentation de la filière évolutive par un lixiviat évolué dit dur ou peu biodégradable issu du dépôt d'ordures ménagères ancien. L'effluent arrivant gravitairement ou par pompage est injecté dans la première cuve ( Figure 1 A ), après injection d'un sel ferrique conditionné spécifiquement pour une meilleures séquestration des métaux sous forme ou non de sulfures. La paroi filtrante piégeant les matières en suspension est nettoyée par jet in situ ou à l'extérieur, par' exemple une fois par semaine. Les boues sont extraites plusieurs fois par jour. Dans la deuxième cuve ( Figure 1 B )de détoxication principalement organique, brassée, le contact de l'effluent acidifié par de l'acide sulfurique pour insolubiliser les substances humiques, avec des parois chaudes par exemple chauffée électriquement, favorise la concentration et J'extraction, après raclage des matières en suspension néoformées. L'effluent préparé à l'action biologique, après pré-aération ménagée, pénètre dans un compartiment flottant ( 19 ) cloisonnant le bassin aéré qui reçoit lui-même les liquides enrichis par les boucles biologiques extérieures 23, 25 ). Ce compartiment est garni de rafles de mais, "nids d'abeille" qui servent de support à des cultures fixées et d'émetteur de 'Substrat organique facilement biodégradable. Le fond de ce réacteur flottant fonctionnant avec recyclage interne et externe, est en géotextile semi-perrneable, laissant drainer l'effluent dans le bassin en rencontrant une nouvelle culture fixée suspendue, très active. Un dispositif de chauffage tubulaire chauffe localement les cultures fixées. Les boucles extérieures, dans cet exemple, participent à l'épuration, à travers les cultures fixées chauffées par le support et pour apporter régulièrement des ferments biologiques. Une fraction d'effluent du bassin arrose par séquence un compost de déchets de mais ( 23 ) qui produit des jus riches en microorganismes et enzymes. L'effluent enrichi rejqint la boucle lit bactérien à ruissellement, favorable à la nitrification ( 25 ) et un compartiment de dénitri-fication à support mobile plus ou moins carboné, avant de retourner dans le bassin principal. Les équipements de finition essentiels à la recherche de haut niveaux de traitement, participent à l'élimination finale de toute forme de pollution et constituent l'étage de sécurité et de traitement tertiaire. Le premier filtre biologique chauffé en hiver ( 26 ) reçoit, par séquence, en alternance et par fractions de surface en goutte à goutte, une en alimentation en passage unique dans cet exemple. L'effluent parfaitement nitrifié rejoint un étage de post-dénitrification. à cultures fixées mobiles et enrichies au minimum en carbone. Le second filtre de finition ( 28 ), apporte la "qualité totale" en association avec les autres étages de traitement. L'effluent est débarrassé des ses matières en suspension, plus ou moins contaminées, dans le compartiment d'alimentation et par passage dans les digues filtrantes qui piège également le phosphore résiduel et autres éléments indésirables. La culture hydroponique suspendue est mise en oeuvre par plantation de macrophytes et immersion partielle du substrat organique. à l'équilibre, le niveau plus bas permet une ventilation forcée, et les racines support biologique participe à l'épuration grâce aux cultures fixées, chauffées l'hiver, et aux excrétats carbonés. Le lavage peu fréquent des compartiments permet l'extraction des boues en excès dans l'ensemble des compartiments liquides tertiaires. Pour les variantes les fonctions générales, utilisées pour tout ou partie, restent les mêmes, le caractère évolutif étant signalé pour son intérêt dans le traitement de lixiviats évoluant en biodégradabilité et déb ' it dans des centres d'enfouissement technique en exploitation ou non : ajout de nouveaux modules autour du traitement secondaire fixe, amont, boucles et finition. L'intérêt de cette filière et variantes, est signalée pour les effluents viticoles et agro-alimentaire et pour les post et pré-traitements pour l'assainissement autonome et les petites industries et les effluents agricoles'. Ces structures est modules sont utilisables pour des effluents plus ou moins minéralisés et jusqu'à des concentration fortes en chlorures. Toutes les structures ou modules sont réalisables avec des matériaux pour la plupart connus, suivant les règles de l'art habituelles. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'épuration, filière évolutive constituée de structures spécifiques et compartiments réacteurs pour le garnissage de bassins et séparateurs de particules et pollutions associées toxiques, caractérisé en ce qu'il comporte : Des structures de prétraitement à membrane et vidange pour l'élimination de composants réfractaires sous forme de sulfures ou autres complexes, Des structures de garnissage en boucles de traitement, compartiments fixes ou mobiles, à cultures fixées chauffées et alimentées en substrats actifs, Des structures de garnissage support chauffé, pour lit bactérien et bassin alimenté en substrats microbiologiques de compostage, Des structures de traitement tertiaire et d'extraction de boues combiant un filtre biologique et un filtre hydroponique suspendu sur un bassin cloisonné par digues filtrantes avec cartouches, préférentiellement mobiles, adsorbantes ou désinfectantes. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une fosse toutes eaux (1) recevant l'effluent modifié par ajout de séquestrant (3) une membrane (6) limitant l'entraînement des matières en suspension et un second étage à changement d'état par ajout d'adjuvant acide (7) ou autres molécules ou ions, avec un chauffage immergé (9) à parois chaudes raclées induisant finsolubilisation des matières organiques dissoutes (12) bloquées par une membrane (13) avant extraction. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en boucles de traitement, un système à cultures fixées compartiment contenant des supports biologiques régénérables ou consommables, flottants, chauffés (l 6) en suspension (17) ou attachés à une membrane filtrante (18), le chauffage liquide ou à parois chaudes étant diffus ou associé aux matériaux supports, 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un ou plusieurs compartiments en boucle, flottants (19), ou fixes (20) à fonds plus ou moins ouverts ou filtrants (21) facilitant la récupération des boues (22) et le recyclage. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les. cultures fixées extérieures en boucles étagées, apportent des substrats et ferments microbiens, préférentiellement dans un compartiment chauffé en lagune, ou lit bactérien (23) ou bassin d'anoxie (25) à cultures fixées chauffées. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par un usage principal des structures en traitement tertiaire et d'extraction des boues, comprenant tout ou partie, d'up étage à cultures fixées d'M"filtration percolation (26) à mélange de grains et de fibres (27), un bassin d'anoxie à cultures fixées mobiles et substrat carboné, un système hydroponique suspendu (28) à niveau variable pour macrophytes (29), avec un compartiment d'entrée d'extraction de matières en suspension et régulation de débit (3 0), des cloisons filtrantes cartouches amovibles (3 1 ) un système racinaire (32) en eau libre et cartouche supportant un niveau organique en végétation reposant sur une grille et géosynthétique (33). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le mode spécifique d'utilisation de tout ou partie de chacune des solutions décrites, en particulier, Vinsolubilisation et les cultures fixées en association avec le chauffage, pour le traitement de lixi ' viats. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par l'intégration de tout ou partie des solutions décrites dans une filière d'épuration.