Brevet FR2800727A1 — publié le 20010511

La présente invention concerne un dispositif d'épuration d'effluents liquides, en particulier d'eaux usées domestiques et/ou collectives ayant subi un traitement pré alable notamment de décantation et/ou de flottation et de prefiltration. Pour des raisons de sécurité évidentes les eaux usees domestiques et/ou collectives ne peuvent être di rectement rejetées à l'égout, mais doivent préalablement su- des traitements d'épuration permettant de supprimer ou tout au moins de diminuer leur caractère polluant La législation a à cet effet établi des normes auxquelles doivent satisfaire les effluents pouvant être éva cues dans le milieu hydraulique superficiel. Ces normes sont notamment définies par les arrêtés interministériels du 6 mai et du 21 juin 1993 qui fixent des valeurs de seuil de la te neur en matières en suspension (M.E.S.) et de la demande bio chimique en oxygène sur cinq jours (D.B.0.5) effluents pouvant être rejetés : ces seuils sont de 30 mg/1 pour la M .S. et de 40 mg/1 pour la D.B.0.5. Pour satisfaire à ces exigences, les eaux usées sont classiquement soumises à un traitement préalable pouvant être effectué de différentes façons : fosses septiques, fos ses toutes eaux, décanteur digesteur... Ce traitement préalable correspond en règle géné rale à une séparation de phases par décantation des matières et particules solides de densité supérieure à 1 et flottation des matières de densité inférieure à 1 qui sont en majorité des graisses. Les matières ainsi séparées subissent ensuite une digestion anaérobie conduisant à des processus de fermenta tion (hydrolyse et acidogénèse) d'une part et de méthanisa- tion d'autre part qui entraînent la liquéfaction des matières décantées et plus partiellement des graisses constituant la phase supérieure. Le métabolisme de ces différentes matières con duit à la formation d'éléments polluants en particulier d'ammonium et d'acétates empêchant les effluents ainsi trai tés d'être directement rejetés. Pour satisfaire aux normes en vigueur il par suite nécessaire de faire subir à ces effluents des traite ments ultérieurs. Les dispositifs qui sont actuellement plus souvent utilisés pour effectuer ces traitements ultérieurs sont des systèmes qui assurent à la fois l'épuration et l'évacuation par le sol des effluents prétraités ; ceux-ci comprennent les tranchées d'infiltration, les lits d'épandage, les filtres à sable verticaux non traités en présence de nappes phréatiques ou de zones inondables les tertres d'infiltration. Les filtres à sable verticaux drainés assurent quant à eux la seule épuration des effluents traites avant leur rejet dans le milieu naturel. Ces dispositifs se caractérisent tous par em prise au sol importante, et un dimensionnement aléatoire ne prenant pas en compte les débits, la charge organique et la nature du sol : en effet et, malgré une législation de plus en plus stricte, la présence d'une nappe phréatique et la perméabilité du sol en place ne sont que rarement déterminées préalablement. La présente invention a pour objet de remedier à ces inconvénients en proposant un dispositif d'épuration d'effluents liquides et en particulier d'eaux usées domesti ques et/ou collectives ayant subi un traitement prealable apte a satisfaire aux normes en vigueur et se distinguant par une grande compacité. A cet effet, l'invention concerne un dispositif d'épuration du type susmentionné caractérisé en ce qu'il est constitué par une enceinte étanche destinée à être enterrée qui est réalisée en un matériau inerte vis-à-vis de la corro sion notamment un matériau polycomposite ou un polyéthylène et comporte une tubulure d'entrée et une tubulure de sortie des effluents. Selon l'invention, cette enceinte est équipée à sa partie interne, d'un élément filtrant constitué un support de biomasse réalisé en un matériau minéral de surface développée importante, ainsi que de moyens de répartition uniforme des effluents provenant de la tubulure d'entree sur la surface supérieure l'élément filtrant et d'une chambre d'aération située au-dessous de l'élément filtrant et renfer mant des moyens de reprise des effluents traités après perco- lation par gravité au travers de cet élément pour les évacuer par la tubulure de sortie. Selon une autre caractéristique de l'invention, la surface supérieure l'élément filtrant qui est essen tiellement horizontale totalement revêtue d'une nappe en géotextile. On a pu en particulier avantageusement mettre en #uvre à cet effet un materiau de grammage de 95. Le matériau minéral de surface développée impor tante est de préférence constitué par une zéolithe. Les zéolithes sont des aluminosilicates d'origine volcanique dont le réseau cristallin comporte des cavités al véolaires communicantes parfaitement calibrées présentant une structure physico-chimique permettant l'inclusion d'espèces moléculaires ou ioniques de géométrie bien définie ; il existe différentes variétés de zéolithes qui peuvent adsorber des cations (Na+, K+, ++@ Ba++.'.) des gaz ou des molécules d'eau et possèdent la particularité de pouvoir piéger l'ion ammonium et d'être capables d'adsorber 70 % de leur poids en eau et 30 % de leur poids en azote gazeux. Selon une caractéristique préférentielle de l'invention, la zéolithe mise en #uvre est de la clinoptilo- lite qui est une zéolithe laminaire dont la formule chimique peut être représentée schématiquement de la manière sui vante ((Na2K2Ca)3A16Si3O072)24H20 La clinoptilolite est une roche résultant de la sédimentation des cendres volcaniques dont les principaux gi sements se situent Etats-Unis, en Nouvelle Zélande, en Australie, en Inde et au Japon ; celle-ci est actuellement utilisée dans des domaines variés en particulier l'élevage et l'agriculture. On a notamment déjà proposé d'utiliser la clinop- tilolite en tant que complément alimentaire chez les jeunes volailles, porcins ou ovins dans le but d'augmenter la prise de poids : au niveau des intestins la clinoptilolite pourrait faire office de réserve d'azote de façon à améliorer le ren dement de la synthèse des protéines. En outre la clinoptilolite a déjà été utilisée pour la litière des animaux en remplacement de la paille afin d'améliorer la rétention des effluents liquides, de réduire dans une large mesure les nuisances olfactives suite a l'adsorption de l'ammoniac et de plus de faciliter la manu tention et le stockage des déjections. Dans le domaine de l'agriculture on a également déjà proposé d'utiliser la clinoptilolite comme amendement de sols trop perméables, dans le but de faciliter la rétention d'eau et de contrôler la diffusion des engrais dans le sol. Dans le domaine industriel, 1a clinoptilolite est actuellement utilisée dans le cadre du traitement de l'air en particulier en tant qu'absorbeur d'humidité ou encore en tant qu'adoucisseur d'eaux de consommation. Il est également à noter que les propriétés échangeur de cations de la clinoptilolite ont déjà été uti lisées pour retenir le césium et le strontium des effluents radioactifs. Conformément à l'invention on a pu se rendre compte que grâce à ses propriétés physico-chimiques et notam ment à sa charpente particulière la clinoptilolite peut, manière surprenante, constituer un support de biomasse permettant d'obtenir des performances remarquables dans le cadre du traitement des eaux usées : les micro-organismes epurateurs peuvent en effet s'y développer naturellement de façon très rapide à la condition d'être convenablement oxygé nés et oxydent la pollution organique dissoute avec un rende ment élevé permettant de satisfaire aux normes en rigueur avec un volume réduit. Conformément à l'invention, on a pu avantageuse ment utiliser une clinoptilolite commercialisée sous la mar que EUROCLINE par la société ENSR située à Fontenay sur dans le département de la Manche. On a déterminé expérimentalement que cette cli- noptilolite, dont le degré de pureté de l'ordre de 80 % présente les caractéristiques suivantes - masse volumique : 905 kg/m3 - porosité (c'est-à-dire rapport entre volume de vides et le volume total occupé par le matériau) : 52,5 - surface spécifique (c'est-à-dire surface développée des vides rapportée au volume occupé le matériau) 950 m2 /m3 de matériau (calculée selon la relation empiri que de SINKOFF). - coefficient de perméabilité (c'est-à-dire vitesse de per- colation d'un liquide) 2,08 cm/s (calculée selon le théo rème de DARCY). Selon l'invention l'enceinte étanche est équipée à sa partie supérieure d'au moins une conduite de ventilation débouchant au-dessus de l'élément filtrant et à sa partie in férieure de la chambre d'aération qui occupe un volume ap proximativement égal à 20 % du volume l'élément filtrant et renferme les moyens de reprise des effluents traités. Selon l'invention, ces derniers moyens peuvent avantageusement être constitués par un drain souple enroulé en boucles sur lui même de façon à occuper toute la surface horizontale sous jacente à l'élément filtrant et enrobé d'une gaine de géotextile assurant la filtration des effluents traités. Il est également envisageable de mettre en #uvre un plancher technique isolant l'élément filtrant des ef fluents traités. Il est dans tous les cas essentiel d'éviter tout contact permanent entre la biomasse fixee sur l'élément fil trant et l'effluent traité pour exclure les risques d'anoxie et de modifications physico-chimiques de ce dernier. Une fois traités les effluents peuvent être éva cués vers le milieu récepteur, soit gravitairement en partie basse de l'enceinte soit par l'intermédiaire d'un moyen méca nique (poste de relèvement) intégré. Selon une autre caractéristique de l'invention les moyens de reprise des effluents traités coopèrent avec une canne verticale équipée à son extrémité d'un raccord ra pide en particulier de type BAUER accessible par un trou d'homme. Cette canne a en fait une triple fonction consis tant à - permettre en cas de besoin le décolmatage l'élément filtrant par rétro-lavage au jet haute pression - permettre l'aspiration des boues minéralisées susceptibles de s'accumuler - permettre la ventilation de l'élément filtrant au point bas de l'enceinte. Selon l'invention l'oxygénation de élément fil trant est donc naturelle et s'effectue par mouvements convec- tifs de bas en haut. Selon une autre caractéristique invention, les moyens de répartition des effluents sont constitués par une rampe de répartition horizontale de forme essentiellement rectangulaire située au-dessus de la surface supérieure de l'élément filtrant, sans être en contact avec cet élément, et percée d'orifices régulièrement répartis sur sa longueur. Ces orifices peuvent avantageusement être alter nativement centrés sur la génératrice inférieure la rampe de répartition et décalés de part et d'autre de celle-ci. Une colonne de nettoyage accessible elle aussi un trou d'homme permet de nettoyer la rampe réparti tion au jet haute pression. Conformément à l'invention, dix-huit mois essais ont permis de caractériser les capacités et les ren dements épuratoires de l'élément filtrant. Les rendements épuratoires moyens recherchés ont été les suivants - DB05 : 90 % 4 % - M.E.S. . 92 % 6 - NH4 : 91 % 10 - NO2 - Hauteur minimale de filtration 40 cm 10 %. - Volume d'air en fond de cuve 20 % du volume de support filtrant ( 5 %). - Surface développée par habitant 175 à 190 m2 /habitant. - Capacité épuratoire moyenne par jour 0,22 g de DB05/m2 de surface développée ( 5 %). Les caractéristiques du dispositif d'epuration qui fait l'objet de l'invention seront décrites plus en dé tails en se référant aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue en perspective représentant une première variante du dispositif d'épuration, - la figure 2 est une vue en perspective représentant une seconde variante de ce dispositif, - la figure 3 est une vue latérale schématique partielle de la rampe de répartition, - la figure 4 est une vue de dessous de la rampe de réparti tion représentée sur la figure 3, - la figure 5 est une vue en coupe de la rampe de réparti tion représentée sur la figure 3 selon un plan matérialisé par l'axe V-V, - la figure 6 est une vue en coupe de cette même rampe de répartition selon un plan matérialisé par l'axe VI. Selon les figures 1 et 2, le dispositif d'épuration est constitué par une enceinte étanche destinée être enterrée qui comporte d'une part une tubulure d'entrée 2 des effluents à traiter selon la flèche A ainsi qu'une tu bulure de sortie 31, 32 des effluents traités selon les flè ches Bl, B2 et d'autre part et à sa partie supérieure des conduites de ventilation 14 coiffées d'organes empechant le passage des insectes et des petits animaux. L'enceinte 1 est équipée, à sa partie interne d'un élément filtrant 10 occupant une grande partie de son volume qui est revêtu d'une nappe en géotextile 4 sa sur face supérieure essentiellement horizontale et surmonte une chambre d'aération 5. L'élément filtrant 10 est constitué par une masse clinoptilolite faisant office de support pour des micro organismes épurateurs qui se développent naturellement et oxydent la pollution organique dissoute. Comme on peut le voir plus précisément sur la fi gure 2, la tubulure d'entrée 2 des effluents à traiter est prolongée à la partie interne de l'enceinte 1 par une rampe de répartition 6 de forme rectangulaire qui est disposée ho rizontalement au-dessus de la nappe en géotextile 4 et de l'élément filtrant 10 et est percée d'orifices 7 régulière ment répartis sur sa longueur qui sont représentés sur les figures 3 à 6. Une colonne de nettoyage 15 accessible par un trou d'homme 13 permet de nettoyer la rampe de répartition 6. La tubulure d'entrée 2 des effluents à traiter, à un diamètre de l'ordre de 100 mm tandis que la rampe de ré partition raccordée à celle-ci est constituée par un tube de diamètre de l'ordre de 50 mm et que les orifices 7 ont un diamètre de l'ordre de 15 mm et sont distants d'une distance de l'ordre de 200 mm les uns des autres (figure 4). Selon les figures 3 à 6, les orifices 7 sont par ailleurs alternativement centrés sur la génératrice infé rieure x-x' de la rampe de répartition 6 et décalés de part et d'autre de celle-ci d'un angle a égal à environ 22,5 . I1 est à noter que selon la figure 4, sur laquelle le sens d'écoulement C des effluents à traiter a été représenté, le premier orifice 7 n'est jamais localisé au ni- veau de la géneratrice inférieure x-x' de la rampe de répar tition 6. Selon les figures 1 et 2, les effluents à traiter répartis sur nappe en géotextile 4 percolent par gravité au travers de l'élément filtrant 10 où ils sont soumis à un processus d'épuration avant de pénétrer dans la chambre d'aération 5. Cette chambre d'aération 5 renferme des moyens de reprise 8 des effluents traités qui sont constitués dans l'exemple de réalisation représenté sur les figures par un drain souple enroulé en boucles sur lui-même de façon à occu per toute la surface horizontale sous jacente à l'élément filtrant 10 et enrobé d'une gaine de géotextile assurant la filtration des effluents traités. Le drain de reprise 8 est relié à la tubulure 31, 32 de sortie des effluents traités soit directement, auquel cas l'orifice 31 est situé à la partie inférieure de l'enceinte 1 et les effluents traités sont évacués gravitai- rement vers le milieu récepteur selon la flèche (figure 1) soit par l'intermédiaire d'un poste de relèvement 9 auquel cas la tubulure de sortie 32 est située en partie haute de l'enceinte 1 et les effluents traités sont évacues gravitai- rement vers le milieu récepteur selon la flèche B2 (figure 2). Selon les figures 1 et 2, le drain reprise 8 est par ailleurs relié à une canne verticale de lavage et de ventilation 11 équipée à son extrémité d'un raccord rapide 12 accessible par un trou d'homme 13. R E V E N D I C A T I 0 N S 1 ) Dispositif d'épuration d'effluents liquides, particu lier d'eaux usées domestiques et/ou collectives ayant subi un traitement préalable notamment de décantation et/ou de flot tation et de préfiltration caractérisé en ce qu' il constitué par une enceinte étanche (1) destinée à être enterrée qui est réalisée en un matériau inerte ' -à-vis de la corrosion et comporte une tubulure d'entrée (2) et une tu bulure de sortie (31, 32) des effluents, cette enceinte (1) étant équipée à sa partie interne d'un élément filtrant (10) constitué par un support de biomasse réalisé en un matériau mineral de surface développée importante, ainsi que de moyens (6) de répartition uniforme des effluents provenant de la tu bulure d'entrée (2) sur la surface supérieure de l'élément filtrant (10) et d'une chambre d'aération (5) située au- dessous de l'élément filtrant (10) et renfermant des moyens (8) de reprise des effluents traités après percolation par gravité au travers de cet élément pour les évacuer par la tu bulure de sortie (31, 32). 2 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau minéral de surface développée importante est une zéolithe. 3 ) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la zéolithe est de la clinoptilolite. 4 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la chambre d'aération (5), occupe un volume approximativement égal à 20 % du volume de l'élément filtrant (10). 5 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caracterisé en ce que les moyens de reprise des effluents traités sont constitués d'un drain souple (8) enrobé d'une gaine de géotextile assu rant filtration des effluents traités. 6 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens de reprise (8) des effluents coopèrent avec une canne verticale de lavage et de ventilation (11). 7 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications à 6, caracterisé en ce que la surface supérieure de l'élément filtrant (10) est revêtue d'une nappe en géotextile (4). 8 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications à 7, caracterisé en ce que les moyens de répartition (6) des effluents à traiter sont constitués par une rampe de répartition de forme essentielle ment rectangulaire située au-dessus de la surface supérieure de l'élément filtrant (10), sans être en contact avec élément, et percée d'orifices (7) régulièrement répartis sur sa longueur. 9 ) Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que les orifices (7) de la rampe de répartition (6)sont alterna tivement centrés sur la génératrice inférieure x-x' de cette rampe et décalés de part et d'autre de celle-ci. 10 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'enceinte (10) est équipée d'au moins une conduite de venti lation (14) à sa partie supérieure.