Brevet FR2824550A1 — publié le 20021115

La présente invention concerne un dispositif de traitement des eaux usses domestiques et concerne en particulier un réacteur de traitement biologique des eaux usées collectées par des canalisations et conduites dans les stations d'épuration situées en aval des communes qui effectuent le pré-traitement et le traitement des eaux collectées et ont pour but d'épurer ces eaux avant leur rejet dans la nature. Les stations d'épuration des eaux uséss comprennent généralement un ensemble de pré-traitement situé en amont du réacteur de traitement o a lieu la première étape du traitement proprement dit de l'effluent grâce à un procédé physico-chimique utilisant des produits chimiques qui ont malheureusement un mauvais impact sur l'environnement ou à un procédé biologique utilisant des organismes vivants tels que des bactéries, et dont le rejet dans la nature est rendu possible sans risque de pollution sur l'environnement. Nous ne parlerons ici que des traitements faisant appel aux méthodes dites biologiques, dont l'objet de l' invention fait partie. L'effluent, issu de l'ensemble de pré-traitement comprenant les trois opérations de dégrillage, dessablage et dograissage ou d'un autre ensemble de pré-traitement est préparé pour recevoir un traitement biologique à l'issue duquel il est rejeté dans la nature. La première étape du traitement est essentielle, elle consiste à mettre en contact l'effluent avec des micro-organismes un certain temps afin que ceux-ci se nourrissent des matières organiques contenues dans l 'effluent. Cette étape peut être réalisée dans un bassin par des micro-organismes en cultures libres c'est à dire mélangés à l'effluent ou par des micro- organismes en cultures fixces sur des supports posés au fond du bassin, en plastique ou en pouzzolane. Les micro-organismes ont besoin d'oxygène pour vivre et l' effluent du bassin doit être réqulièrement oxygéné et brassé ce qui nécessite soit un équipement supplémentaire de type compresseur ou aérateur ou de tout autre système permettant le brassage soit un procédé de cascade ou de ruissellement. Les eaux issues de ce premier bassin vont ensuite dans un bassin appelé clarificateur qui permet par décantation de séparer l'eau " propre " des boues résiduelles contenant les micro-organismes morts et les produits non digérés par ceux- ci. L'eau clarifiée et propre est rejetée dans la nature tandis que les boues sont dirigées vers un autre bassin appelé silo à boues avant leur réintroduction dans le milieu naturel. La technique de cultures fixées est avantageusement améliorée grâce à des supports en forme de disques, fixés sur un axe de rotation horizontal et à demi immergés. Ces disques tournent lentement sur leur axe afin qu'une biomasse bactérienne fixée sur la surface des disques soit alternativement baignce par l' effluent et aorée par l'air ambiant. Ce mode de cultures fixces a l' avant age d' augmenter la concentration en biomasse bactérienne dans les bassins et donc de réduire leur taille. De plus, la technique de cultures fixées sur disques demande une surveillance pratiquement nulle et permet de réduire l'oxygénation de l' effluent et donc de réduire le coût énergétique. Cependant, ce système ne permet pas de supprimer totalement l'oxygénation et le brassage de l'effluent du bassin. En effet, les disques doivent tourner à une vitesse faible de l'ordre de 1 à 2 tours par minute engendrant très peu de mouvement de l'effluent et donc une très faible oxygénation. Or, la faible oxygénation d'un tel milieu engendre la formation des nitrates et l'accumulation des phosphates, ce qui implique des étapes supplémentaires de dénitrification et de dephosphatation étant donné que ces produits à haute dose sont très toxiques. Le but de l'invention est donc de fournir un système de traitement biologique de l'effluent issu du pré traitement, de type à cultures fixées, qui permet à la fois l'oxygénation de l'effluent, l'oxygénation des micro organismes et le contact des micro-organismes avec les matières organiques de l'effluent. C'est pourquoi l'objet de l'invention est un réacteur de traitement biologique dans une station d'épuration des eaux usées comportant au moins un ensemble de pré- traitement chargé d'éliminer les parties flottantes des eaux usées telles que les graisses et les mousses et les parties tombantes telles que les sables et les matières solides, au moins un réacteur de traitement chargé de lo traiter l' effluent résultant dudit ensemble de pré- traitement pour dépolluer l'effluent et un clarificateur charger d'éliminer les boues dudit réacteur de traitement. Selon une caractéristique principale de l'invention, le réacteur de traitement biologique comprend un ensemble de disques fixés sur un axe en rotation, en partie immergés dans l 'effluent pré-traité recu de l 'ensemble de pré- traitement, et dont les faces comportent de s micro - organismes aérobies et anaérobies pour la dégradation des matières organiques contenues dans l'effluent, chacun des disques étant formé de deux plaques sensiblement parallèles séparéss par un matériau cellulaire à cellules ouvertes permettant l'oxygénation de l 'effluent, l'oxygénation des micro-organismes et le contact des micro-organismes avec les matières organiques de l' effluent. Les buts, objets et caractéristiques de l' invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit faite en référence aux dessins dans lesquels, La figure 1 est un bloc diagramme d'une station d'épuration incorporant un réacteur de traitement biologique selon l'invention, la figure 2 est une vue en coupe d'une cuve de pré traitement pouvant être utilisée en combinaison avec le réacteur de traitement biologique selon l'invention, La figure 3 représente une coupe transversale de la cuve de pré-traitement, représentée sur la figure 3, selon l'axe A-A de la figure 2, La figure 4 est une représentation schématique du réacteur de traitement biologique selon l 'invention. Une station d'épuration des eaux usoes conforme à l'invention représentée schématiquement sur la figure 1, comprend un ensemble de pré-traitement lO permettant la dissolution ou la dégradation en fines particules des matières solides contenues dans l'effluent arrivant du collecteur 11, un réacteur biologique l2 dans lequel est traité l'effluent et un clarificateur l4 destiné à séparer par sédimentation les boues issues du réacteur de l'eau traitée. La station comprend en outre un silo à boues l6 dont la sortie est composoe d'une partie liquide recyclée à l'entrée de la cuve de pré-traitement et d'une partie contenant les boues à évacuer. L'effluent est acheminé de l'ensemble de pré-traitement au réacteur par un conduit 13 et du réacteur au clarificateur par un conduit l5. Du clarificateur l4, les eaux épurées sont rejetées dans la nature par la sortie 17, et du silo à boues 16, les boues épaissis sont retirses par la sortie 19. En référence à la figure 2, l'ensemble de pré traitement selon l'invention est une cuve lO de préférence maconnée, à fond plat et dont les dimensions varient selon la quantité d'eaux usces domestiques à gérer. Elle est séparée en deux bassins 22 et 24, par une cloison centrée verticalement. La cloison est composée, de bas en haut, d'une première cloison fixe et étanche 26, d'une paroi perméable et mobile 23 et d'une seconde cloison fixe et étanche 30. Les trois parties qui composent la cloison centrale représentent chacune environ un tiers de la hauteur totale de la cloison. L'effluent contenant les eaux usées domestiques, arrive dans le bassin 22 par un collecteur 11. Les matières contenues dans l'effluent ont des densités différentes et par conséquent les matières de densité élevoe comme les sables et les matières lourdes ont tendance à se déposer dans la partie basse du bassin alors que les matières à faible densité comme les graisses et les mousses remontent dans la partie haute du bassin. La majeure partie de l'effluent se trouve donc dans la partie centrale du bassin 22 et migre vers le bassin 24 en passant par la paroi perméable 28. L' effluent se trouvant dans le bassin 22 est évacué vers le réacteur biologique au moyen d'une pempe hydraulique 32 et des conduits 34 et 13. Ce pompage crce donc naturellement un flux de l' effluent du bassin 22 vers le bassin 24 à travers la paroi perméable 28. Du fait que la composition et le volume de l'effluent 0 varient selon les heures de la journée, il est nécessaire de disposer d'un système de réqulation de débit afin de maintenir dans la cuve une quantité d'effluent telle que la surface de l'effluent se trouve touj ours au niveau de la seconde cloison fixe et étanche 30. La réqulation du déLit consiste à renvoyer vers le bassin 22 une portion de l' effluent du bassin 24 au moyen de la pompe hydraulique 32 et des conduits 34 et 40 alors qu'une autre portion de l' effluent pompé au moyen de la pompe hydraulique 32 (ou d'une autre pompe) est envoyé dans le réacteur par le conduit 13. Ce recyclage constitue donc un reflux de l' effluent du bassin 24 au bassin 22 qui atténue les flux du bassin 22 au bassin 24 à travers la paroi perméable 28 et qui contribue à l'homogénéisation de l'effluent. A noter qu'une vanne réglée électromécaniquement 38, permet de stopper le renvoi de l'effluent du bassin 24 au bassin 22 et donc de réquler le déhit lors d'une forte augmentation du débit d'effluent entrant. De plus, cette vanne est réglée afin de laisser un laps de temps entre le reflux dans le premier bassin 22 et l'aspiration vers le réacteur de traitement permettant ainsi aux matières non dégradées de trouver leur place dans le bassin 22. Le système de réqulation de déLit proprement dit comprend un système de contrôle électronique 44 programmable relié à au moins un capteur de niveau 42 du type capteur à mercure par exemple, à la ou les pompe(s) hydraulique(s) 32 et à l'électrovanne 38. Des contacts de niveau de sécurité peuvent également être reliés au système de contrôle afin de prévenir tout dysfonctionnement du dispositif, panne d'une pompe par exemple. Le système de contrôle électronique 44 peut agir par le biais d'un automate, donc sans intervention humaine, selon un certain nombre de consignes telles que le moment de la journée, la saison, les quantités d'effluent entrant et/ou transférés vers les étapes suivantes du traitement... Le système de réqulation est programmé de fa,con à recevoir les paramètres inhérents à la station d'épuration à contrôler par o l'intermédiaire de cartes imprimés préalablement établies selon les besoins de la commune. Une caractéristique du système de pré-traitement selon l'invention est de traiter au maximum l'effluent pour le rendre le plus homogène possible. C'est ce que permet le conduit 50 de renvoi de l' effluent (issu du conduit 40) illustré sur la figure 3, dont la sortie se trouve dans la partie basse du bassin 22. Ceci créé un tourbillon qui brasse les parties lourdes ou solides à densité élevoe se trouvant dans la zone 54 et les réduit en fines particules de fa,con à ce qu'elles se dissolvent ou qu'elles soient entraînses facilement dans l'effluent liquide en travereant la paroi 28. A noter qu'un deuxième conduit de renvoi 52 (issu du conduit 40) vers le bassin 22 a sa sortie situce dans la partie haute du bassin 22 ceci afin de crcer un remous dans les matières flottantes se trouvant dans la zone 56. Une partie des matières flottantes ainsi remuses, comme les mousses, coule vers le fond. Les graisses, huiles et hydrocarbures, de par leur nature et par l'effet du mouvement hydraulique créé par le flux et le reLlux, se déposent sur les parois de la cuve de pré-traitement, formant ainsi un film isolant interdisant toute pénétration d'oxygène et favorisant la fermentation anacrobie et par conséquent le déroulement des différentes étapes aboutissant à la méthanogénèse c'est à dire à la transformation des matières organiques lipidiques en méthane et dioxyde de carbone. L' effluent résultant de la cuve de pré-traitement (aussi appelé liqueur) est envoyé par l'intermédiaire de la pompe hydraulique, dans le réacteur de traitement 14. En référence à la figure 4, le réacteur de traitement est un bassin dans lequel un certain nombre de disques 60-1 à 60-3 à demi immergés dans l' effluent 64 à traiter tournent lentement autour d'un axe 62 à une vitesse de l'ordre de 1 à 2 tours par minute. Les disques, de 2m de diamètre environ, sont formés préférentiellement de deux plaques circulaires 70 et 72 sensiblement parallèles et séparées par un matériau cellulaire 74 à cellules ouvertes permettant à l'effluent d'être brassé et ainsi d'être oxygéné et homogénéisé. En effet, l'air ambiant prisonnier des cellules des disques pénètre en grande quantité dans l'effluent. A l' interface des deux fluides air/effluent, l'effluent se sature en oxygène, la difEusion de l'oxygène s'amorce alors vers les couches plus profondes de l'effluent. De plus, une quantité d'effluent circule elle- même dans les alvéoles des disques et est d'autant plus brassse et oxygénse. Les disques peuvent avoir une forme autre que circulaire sans sortir du cadre de l'invention. Selon un mode de réalisation préféré, les disques sont en polypropylène. Ce matériau présente entre autres, les deux avantages suivants: sa faible densité qui réduit son poids et sa faible conductivité thermique qui participe à la non- dispersion de la chaleur. De plus, la structure creuse des disques allège également considérablement le support. L' effluent arrive d'un côté du réacteur par le conduit 13 et ressort du côté opposé du réacteur par la sortie 15 par gravité, la sortie 15 étant situce sensiblement au niveau de l'axe 62 des disques afin de maintenir constant le niveau d'effluent dans le réacteur. Ainsi, l'entrce et la sortie de l'effluent créent un flux de l' effluent d'un bout à l'autre du réacteur. Les deux faces des disques servent de support aux micro-organismes, notamment des bactéries aorobies et anaérobies qui vont alors s'alimenter de la charge polluante de l' effluent 64. Cette technique de "culture fixce" utilise la capacité qu'ont la plupart des micro- organismes à produire des exo-polymères permettant leur fixation sur des supports très divers pour former un bio- film. La colonisation d'un disque commence sur un certain nombre de sites privilégiés, ces sites s'étendant progressivement jusqu'à former un bio-film qui se développe en continu jusqu'à recouvrement de la surface totale des deux faces du disque par une couche monocellulaire. A partir de ce moment, la croissance est continue par production de nouvelles couches qui viennent recouvrir la couche initiale. Il s'effectue donc une stratification d'un certain nombre de couches de culture de telle facon que l'oxygène qui diffuse à travers l'épaisseur du bio-film n'atteigne pas la couche la plus profonde. Au final, les faces du disque sont donc recouvertes d'une couche de bactéries anaérobies et d'une couche de bactéries acrobies. En milieu aérobie, une partie de la matière organique contenue dans l'effluent à traiter est consommoe grâce à l'oxygène dissous dans l'effluent par les bactéries aérobies et dogradée en biomasse et en dioxyde de carbone. En milieu anacrobie, une autre partie de la matière organique contenue dans l'effluent est consommée à l'abri de l'oxygène par les bactéries anaorobies et dégradée en biomasse, en méthane et en dioxyde de carbone. Les micro- organismes qui constituent la couche de bactéries aérobies, consomment de l'oxygène pour leur besoin énergétique, leur reproduction par division cellulaire appelée synthèse bactérienne et leur respiration endogène. Ces besoins en oxygène sont assurés en partie par la rotation des disques à demi immergés qui permettent de mettre en contact les bactéries aorobies alternativement avec la matière organique à dograder puis avec l'oxygène présent dans l'air ambiant. Ils sont également assurés par la forme alvéolée des disques qui permet l'oxygénation de l' effluent. A noter que le brassage de l'effluent par les disques s'effectue sensiblement dans des plans verticaux parallèles aux disques et donc perpendiculairement au flux traversant de l'effluent. L'homogénoisation de l'effluent assurée par la rotation des disques assure un contact intime entre les éléments polluants et les bactéries. De plus, l'apport en oxygène également assuré par la rotation des disques évite un équipement supplémentaire de type compresseur ou aérateur ou de tout autre système permettant le brassage, ou un procédé de cascade ou de ruissellement. En effet, la faible oxygénation de l'effluent engendrerait la formation de nitrates et l'accumulation de phosphates, ce qui impliquerait des étapes supplémentaires de dénitrification et de dephosphatation étant donné que ces produits à haute dose sont très toxiques. Les variations de charge des matières organiques à dégrader sont lissées par le principe d'homogénéisation et le système de réqulation de la cuve de pré-traitement. Cependant, dans le cas d'une très forte augmentation du débit et donc de la charge organique, la pellicule biologique en activité sur les disques possède la propriété d'absorber une charge dix fois supérieure à la charge normale, sans altération de la qualité de l'eau en sortie. La charge dite "normale" est évaluée par un dimensionnement préalable effectué à partir d'un certain nombre de paramètres pour l'implantation de chaque station d'épuration. La masse biologique présente sur les disques est également en mesure d'absorber et de digérer les moléaules complexes que constituent les hydrocarbures, les graisses et autres matières grasses non absorbées par le pré- traitement. Ces moléaules arrivant dans le réacteur sont condamnces à se déposer sur les disques lors de leur rotation, ce qui permet aux bactéries en activité sur les disques de s'alimenter en proportion optimale de cette pollution. Le système de traitement à réacteur biologique 1 0 selon l'invention est capable d'absorber jusqu'à lOO mg de graisse par litre d' effluent alors que les proportions estimées dans les rejets domestiques ne dépassent jamais 40 à 60 mg par litre. A l'issue de la phase de traitement dans le réacteur biologique, l'effluent dépollué est chargé de boues constituées des bactéries mortes et des matières inertes. Il est transféré au moyen de la sortie l5 dans un bassin ou clarificateur l4 o il est soumis à une décantation 0 naturelle permettant la séparation des boues et de l'eau épurée. Ainsi, la décantation permet la clarification de l'effluent et l'épaississement de la boue. Les boues biologiques sont en général floconneuses et d'une densité très voisine de celle de l'eau, et par conséquent, la durse de la décantation est un paramètre à prendre en compte dans le dimensionnement de la station d'épuration. La capacité de l'effluent à décanter, dépend d'un certain nombre de facteurs tels que: la présence de rejets industriels, la teneur en oxygène dissous, la variation de composition de la charge organique de l'effluent, la température, etc. La mesure de la vitesse ascensionnelle (ou vitesse d' ascension de l'eau par rapport à la boue) est un paramètre habituel des bassins de clarification. Les valeurs guides, sur des effluents domestiques varient en moyenne sur une journée selon que la charge organique est faible ou importante entre 0,3 m/h et 1,25 m/h. Le système de traitement selon l'invention, permet d' accepter la totalité de l 'effluent arrivant à la station, de lisser les variations de charge de la matière organique par le principe d'homagénoisation et le système de réqulation de la cuve de pré-traitement et par conséquent de réquler la production de boue dans le réacteur et d'apporter une grande quantité d'oxygène dissous grâce au réacteur à disques biologiques. Grâce à ces conditions d'épuration réalisées sur l'ensemble pré traitement et traitement, la vitesse ascensionnelle de la boue dans le clarificateur est fortement augmentée par rapport aux station d'épuration traditionnelles et atteint 1 1 2 à 2,5 m/h. Cette importante vitesse ascensionnelle de la boue permet de diminuer le volume du clarificateur et en particulier de diminuer sa surface, ce qui représente une répercussion non négligeable sur le coût d'investissement, tant au niveau du génie civil qu'à celui de l'emprise foncière. A l'issu du clarificateur, l'eau épurée est rejetée dans la nature tandis que les boues sont placées dans un silo à boues 16 fermé en attendant leur évacuation et/ou 0 leur liquéfaction. Les boues peuvent avoir plusieurs destinations finales telles que la valorisation agricole, l'incinération ou la mise en décharge. Leur élimination des stations d'épuration traditionnelles représente, tous les trois mois environ, un coût de transport non négligeable. Les boues issues de la station d'épuration selon l'invention subissent une liquéfaction due à la composition même des boues. En effet, la combinaison du système de pré- traitement et du réacteur telle que décrite ici produit des boues dont la composition n'est pas comparable aux boues produites dans les stations d'épuration traditionnelles. En effet, en plus des bactéries mortes et des matières inertes, les boues issues de la station d'épuration selon l'invention, contiennent des composés en faible quantité tels que des nitrates, des phosphates, des matières inorganiques et organiques qui, ensemble continuent à subir une dogradation de manière ansérobie. Ainsi, la fréquence de soutirage des boues du silo 16 est réduite par rapport à un procédé traditionnel. Afin d'augmenter la capacité de la station d'épuration, il est possible d'augmenter les volumes des bassins réalisant l'ensemble pré-traitement et traitement. Il est également possible de réaliser en parallèle plusieurs ensembles pré-traitement et réacteur de traitement dans la même station d'épuration. Bien que le réacteur de traitement biologique selon l'invention soit de préférence utilisé avec un système de pré-traitement à deux bassins tel que décrit ci-dessus, il est également possible que ce même réacteur soit utilisé à la suite d'un pré-traitement classique sans pour autant sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Réacteur de traitement biologique dans une station d'épuration des eaux usées comportant au moins un ensemble de pré-traitement (10) chargé d'éliminer les parties flottantes des eaux usées telles que les graisses et les mousses et les parties tombantes telles que les sables, les matières solides ou lourdes, au moins un réacteur de traitement (12) chargé de traiter l'effluent résultant dudit ensemble de pré-traitement pour dépolluer l' effluent et un clarificateur (14) charger d'éliminer les boues résultant dudit réacteur de traitement; ledit réscteur de traitement biologique comprenant un ensemble de disques (60-1 à 60-3) fixés sur un axe (62) en rotation en partie immergés dans l' effluent pré- traité (64) reçu dudit ensemble de pré-traitement, et dont les faces comport ent des micro - organismes aorobies et anaérobies pour la dégradation des matières organiques contenues dans l'effluent, chacun desdits disques étant formé de deux plaques (70 et 72) sensiblement parallèles séparées par un matériau cellulaire (74) à cellules ouvertes permettant l'oxygénation de l'effluent, l'oxygénation des micro- organismes et le contact des micro-organismes avec les matières organiques de l'effluent. 2. Réacteur de traitement biologique selon la revendication 1, dans lequel les disques sont en polypropylène. 3. Station d'épuration comprenant un réacteur de traitement biologique selon la revendication 1 ou 2, un système de pré-traitement (10) comprenant une cuve de pré- traitement unique divisoe en un premier sous-bassin (22) recevant les eaux usses non traitées et un second sous- bassin (24) envoyant l'effluent pré-traité vers ledit réacteur de traitement, les deux sous-bassins étant séparées par une paroi perméable (28) permettant le passage des eaux usées débarras soes des part ies flot t ant es et de s parties tombant es dudi t premier sous -bas s in vers ledi t second sous-bassin et, des moyens de pré-traitement permettant l'élimination des parties floLtantes et des parties tombantes sans avoir à les retirer de la cuve de pré-traitement (lO). 4. Station d'épuration selon la revendication 3, dans laquelle ladite cuve est séparée en deux bassins par 0 une cloison, constituée de bas en haut d'une première partie étanche (26), de ladite paroi perméable (28) et d'une seconde partie étanche (30), créant un flux de l'effluent du bassin (22) au bassin (24) à travers ladite paroi perméable (28). 5. Station d'épuration selon la revendication 3 ou 4, dans laquelle la cuve de pré-traitement dispose d'un système de réqulation de déLit afin de maintenir dans ladite cuve une quantité d'effluent telle que la surface de l' effluent se trouve toujours au niveau de ladite seconde partie étanche (30) et ce, quel que soit le déLit et la composition de l' effluent entrant. 6. Station d'épuration selon l'une des revendications 3 à 5, comprenant en outre un conduit (34,40) permettant de renvoyer au moyen d'au moins une pompe hydraulique (32) et via une électrovanne (38), une portion de l'effluent du bassin (24) vers le bassin (22), le fonctionnement de ladite pompe et l'ouverture de ladite électrovanne étant sous le contrôle dudit système de réqulation. 7. Station d'épuration selon l'une des revendications 3 à 6, dans laquelle le conduit (34,40) de renvoi de l'effluent du bassin (24) au bassin (22) se divise en deux conduits (50) et (52) dans le bassin (22), la sortie dudit conduit (52) étant située à la hauteur de ladite première partie étanche (26) et la sortie dudit conduit (50) étant située à la hauteur de ladite seconde partie étanche (30). 8. Station d'épuration selon l'une des revendications 3 à 7, dans laquelle ledit système de régulation de débit comprend un système de contrôle électronique programmable (44) relié à un capteur (42) permettant de détecter le niveau de l' effluent dans la cuve. 9. Station d'épuration selon l'une des revendications 3 à 8, dans laquelle une portion de l' effluent se trouvant dans la cuve est envoyée vers le réacteur par un conduit (34,13) au moyen de ladite pompe hydraulique. 10. Station d'épuration selon l'une des revendications 3 à 9, dans laquelle l' effluent en sortie dudit résateur est placé dans un clarificateur (14) o il es t soumis à une décant at ion naturel le permett ant la séparation des boues et de l'eau épurée. 11. Station d'épuration selon la revendication 10, 2s dans laquelle les boues issues dudit clarificateur (14) sont placées dans un silo à boues pour leur liquéfaction et leur évacuation. 12. Station d'épuration selon la revendication 4, dans laquelle la boue liquéLice est réintroduite en entrée