Brevet FR2845621A1 — publié le 20040416

MEDIA FILTRANT PERFECTIONNE ET UTILISATION DUDIT MEDIA FILTRANT POUR LA DEPOLLUTION DES LAGUNES L'invention concerne un média filtrant perfectionné. Elle se rapporte également à l'utilisation dudit média, notamment pour la dépollution des lagunes, en particulier des lagunes anaérobies. Le lagunage est un des traitements biologiques des eaux usées actuellement proposés. Ce procédé est avantageux en ce qu'il ne nécessite pas d'apport extérieur d'énergie et produit une quantité de boue stabilisée, inférieure aux procédés conventionnels (du type par exemple, boues activées, filtres bactériens, etc). En outre, l'élimination des germes pathogènes est plus efficace, ce qui constitue un 1 5 paramètre important pour la réutilisation des eaux usées. Les systèmes d'épuration par lagunage comprennent généralement plusieurs bassins en série, dont les plus courants sont dénommés lagune anaérobie, lagune facultative et lagune de maturation. Ces lagunes ont des fonctions spécifiques et 20 sont caractérisées par des écosystèmes épurateurs très différents. Leur fonctionnement résulte de leurs caractéristiques, principalement de la géométrie (essentiellement la profondeur), de la charge organique reçue et du temps de séjour de l'eau usée. E En pratique, le traitement nécessite trois bassins en série, respectivement une lagune facultative primaire, deux lagunes de maturation, souvent précédées, en tête de filière, d'une lagune anaérobie. Cette filière de traitement dite de lagunage naturel ne requiert pas d'énergie à l'opposé du traitement dit de lagunage "aéré" constitué de plusieurs bassins dont le premier est équipé d'un dispositif d'aération 30 artificielle fournissant la majorité des besoins en oxygène. Le média filtrant de l'invention se rapporte plus particulièrement à la dépollution des lagunes anaérobies. Ce type de lagune est très satisfaisant du point de vue des performances épuratoires, puisque la digestion anaérobie par les 5 bactéries permet d'éviter l'accumulation de boues. En pratique, les boues sont digérées par les bactéries qui produisent un certain nombre de gaz, dont du CH4, de l'azote, du C02 et de l'H2S. Même si ces lagunes sont tout à fait satisfaisantes du point de vue des performances épuratoires, en revanche, elles sont à l'origine de nuisances olfactives importantes, dues notamment à l'émission de H2S, produit par 10 les bactéries sulfato-réductrices. Plusieurs solutions pour réduire les émissions de composés malodorants ont été proposées. La première méthode consiste à ajouter dans l'eau de la lagune du FeC13 de manière à précipiter les sulfures sous forme de sulfures de fer insolubles (FeS ou 15 FeS2). Toutefois, le risque de toxicité est important. Une seconde technique dénommée "chaulage" consiste à augmenter le pH de la lagune pour réduire la proportion de H2S. Cette technique reste relativement efficace mais est toxique si le pH dépasse 8,5. On a également proposé d'aérer la surface de la lagune en formant une couche oxydante à la surface pour l'oxydation des sulfures en sulfate. 20 Cette solution est relativement inefficace et peu puissante. Une autre approche consiste à faire recirculer un effluent secondaire présentant un pH élevé ainsi qu'une biomasse algale susceptible de rendre le milieu oxydant grâce à la photosynthèse, le débit de l'effluent étant supérieur pour renouveler l'eau et diluer les sulfures. Cette technique est efficace et peu coteuse mais reste encore peu 25 documentée quant à l'impact à long terme sur les performances épuratoires. Une autre solution particulièrement onéreuse consiste à recouvrir la lagune d'une couverture imperméable de sorte à isoler l'émission des gaz odorants et de collecter puis traiter le biogaz produit. Un dernier principe de traitement connu du Demandeur consiste à recouvrir la surface de la lagune au moyen d'une couverture perméable biologique constituée d'un lit planté de tourbe, flottant à la surface de la lagune. Si ce dispositif conduit à réduire l'émission de H2S de manière particulièrement efficace, en revanche, son application à grande échelle reste difficilement envisageable car lié notamment au problème de flottaison. Le document FR-A-2 812 825 du Demandeur décrit un média filtrant à base d'agent photocatalyseur et de charbon actif utilisé pour la purification d'effluents gazeux ou liquides en général, sans référence à un domaine quelconque. Ce média résulte de l'association de trois éléments, respectivement un support perméable, une première couche à base de charbon actif et une seconde couche distincte, à 10 base d'agent photocatalyseur. En pratique, la couche à base de charbon actif est constituée d'un mélange comprenant au maximum 75 % en poids de fibres de charbon actif, le complément à 100 % étant constitué d'un mélange à base de fibres naturelles et/ou de fibres chimiques organiques. Comme le rappelle ce document, il est en outre connu que les fibres ou les particules de charbon actif, dont les 15 procédés d'obtention sont plus particulièrement décrits dans les documents US-A4 069 297 et US-A-4 285 831 ne présentent aucune capacité de liaison entre-elles (du fait notamment de leur taille, en pratique comprise entre 2 et 7 mm), raison pour laquelle il est nécessaire de les lier au moyen de fibres naturelles et/ou de fibres organiques chimiques. Dans le cadre du traitement des lagunes, il est nécessaire de disposer d'une quantité de charbon actif la plus élevée possible en raison de la teneur importante de gaz émis par les bactéries anaérobies. Pour résoudre ce problème, on pourrait imaginer augmenter la proportion de fibres de charbon actif dans la couche 25 intermédiaire décrite dans le' document FR-A-2 812 825 du Demandeur. Toutefois, on se trouverait inexorablement confronté à des problèmes de cohésion des fibres de charbon actif, ce qui conférerait au support, une résistance mécanique très faible. En conséquence, le problème que se propose de résoudre l'invention est de développer un média filtrant qui contienne une teneur élevée en fibres ou poudre de charbon actif tout en étant doté d'une résistance mécanique accrue. Pour ce faire, l'invention propose un média filtrant à base de charbon actif qui se caractérise en ce qu'il comprend trois couches superposées, respectivement une couche interne et deux couches externes, la couche interne étant constituée de 80 à 5 95 % en poids sec de charbon actif, le complément à 100 % étant constitué de fibres chimiques organiques et/ou inorganiques, la première couche externe comprenant de 45 à 95 % en poids sec de fibres chimiques organiques et/ou inorganiques, le complément à 100 % étant constitué de charbon actif et/ou d'un matériau de densité inférieure à 0,9, la seconde couche externe comprenant de 5 à 10 25 % en poids sec de charbon actif, le complément à 100 % étant constitué de fibres chimiques organiques et/ou inorganiques, et en ce que le grammage de la couche interne est compris entre 40 et 200 g/m2 et le grammage des couches externes est compris entre 10 et 100 g/m2. Dans la suite de la description et dans les revendications, par l'expression "charbon actif', on désigne du charbon actif sous forme de fibres ou de poudre de granulométrie comprise entre 2 et 300.tm, seuls ou en mélange. Dans la suite de la description et dans les revendications, par l'expression 20 "fibres organiques et/ou inorganiques", on désigne parmi les fibres organiques, à l'exception des fibres de charbon actif, notamment les fibres cellulosiques, les fibres synthétiques du type par exemple polyester ou polyéthylène, polypropylène, polyamide, polychlorure de vinyle, alcool polyvinylique, acrylique, nylon; les fibres artificielles (par exemple viscose, acétate de cellulose); les fibres naturelles 25 (par exemple coton, laine, pâte de bois), et parmi les fibres inorganiques, notamment les fibres minérales (par exemple verre, céramique). En d'autres termes, l'invention consiste à assurer la cohésion du charbon actif en le prenant en sandwich entre deux couches, dont au moins une est à base de 30 charbon actif sous forme de fibres ou poudre, ce qui permet ainsi d'augmenter considérablement la quantité de charbon actif, et donc la capacité d'adsorption des gaz, tout en conférant au média une résistance mécanique accrue. Dans un premier mode de réalisation, la seconde couche externe contient de 5 5 à 25 % en poids sec de charbon actif, avantageusement sous forme de fibres, le complément à 100 % étant constitué de fibres chimiques organiques et/ou inorganiques. Avantageusement, les couches externes ont la même composition. 10 Par exemple, la couche interne contient 90 % en poids sec de charbon actif, avantageusement sous forme de fibres, 10 % en poids sec de fibres chimiques organiques et/ou inorganiques et a un grammage de 70 g/m2 tandis que les couches externes contiennent 10 % en poids sec de charbon actif, avantageusement sous 15 forme de fibres, et ont un grammage égal à 30 g/m2. Dans un second mode de réalisation, la première couche externe contient un matériau de densité inférieure à 0,9 conférant ainsi au média filtrant une propriété supplémentaire de flottaison. Selon l'invention, la densité du matériau doit être 20 inférieure à 0,9 et ce, quelles que soient les conditions, en milieu sec ou liquide. Ainsi, on peut utiliser en tant que matériau de ce type, du liège, du polystyrène, de l'air encapsulé ou tout matériau équivalent. En pratique, un tel matériau est mis en oeuvre au sein de la couche dans des proportions de 5 à 20 % en poids avec ou en l'absence de charbon actif. Bien entendu, la présence de ce dernier renforce la 25 capacité du média à fixer une quantité de gaz plus importante. Comme déjà dit, les fibres de charbon actif sont plus particulièrement décrites dans les documents US-A-4 069 297 et US-A-4 285 831. En outre, on sait que les fibres de carbone peuvent être traitées pour obtenir des surfaces spécifiques 30 variables en fonction de leur application. En particulier, lorsqu'il s'agit d'adsorber des gaz, la surface spécifique de la fibre peut varier d'un gaz à l'autre. En conséquence et selon un premier mode de réalisation, le média filtrant contient du charbon actif sous forme de fibres destinées à adsorber le CH4 et H2S, dont les caractéristiques sont les suivantes - titre du filament 1 à 1,5 dtex, - surface spécifique: 1 400 m2/g, - taux de microporosité: 95 %. Dans un second mode de réalisation, le média filtrant contient également du charbon actif sous forme de fibres destinées à adsorber le NH3 et/ou les autres 10 polluants. En pratique, ces fibres (H2S / NH3) sont utilisées dans des proportions comprises entre 20/80 et 80/20, en pratique 50/50. Pour permettre la désaturation continue des sites actifs du carbone et donc la régénération à l'infini dudit charbon actif, la seconde couche externe du média 15 contenant systématiquement du charbon actif est recouverte d'une couche à base d'agent photocatalyseur. En tant qu'agent photocatalyseur, on peut utiliser du dioxyde de titane TiO2 anatase, mais également d'autres agents tels que ceux notamment faisant partie du groupe des oxydes métalliques, des oxydes alcalinoterreux, des oxydes actinides et des oxydes de terres rares. 20 Dans une forme de réalisation telle que décrite dans le document WO 99/51345 du Demandeur, la couche à base d'agent photocatalyseur se présente sous la forme d'un mélange comprenant entre 10 et 60 parties, avantageusement 50 parties d'une dispersion collodale aqueuse de dioxyde de silice (SiO2), le 25 complément à 100 parties étant constitué de TiO2 anatase. Par ailleurs, pour permettre une liaison efficace des particules de TiO2 non seulement entre-elles, mais également sur la couche externe à base de charbon actif, les particules de SiO2 représentent de 1 à 50 % en poids de la dispersion 30 aqueuse collodale et ont un diamètre compris entre 10 et 40 nm. De même, pour que la réaction photocatalytique puisse être efficace et que la désorption du charbon actif contenu dans la couche externe et dans la couche centrale se fasse régulièrement, la couche à base d'agent photocatalyseur comprend entre 5 et 40 g/rn2, avantageusement 20 g/m2 d'agent photocatalyseur. Pour une 5 valeur inférieure à 5 g/m2, la réaction photocatalytique est réduite compte-tenu de la trop faible épaisseur de la couche. Au contraire, pour une valeur supérieure à 40 g/m2, la masse d'agent photocatalyseur devient trop élevée, interdisant au rayonnement UV d'atteindre les particules d'agent photocatalyseur présents à la base de la couche. L'invention concerne également un procédé pour la fabrication du média filtrant à base de charbon actif. Selon ce procédé, on prépare la première couche externe, on applique ensuite, 15 sur la première couche externe, la couche interne, puis sur la couche interne, la seconde couche externe. Les trois couches sont fabriquées par voie humide en continu sur machine papetière en prévoyant trois caisses de tête destinées à la préparation des 20 suspensions fibreuses, une première caisse de tête pour la première couche externe, une seconde caisse de tête pour la couche interne, une troisième caisse de tête pour la seconde couche externe, la solidarisation des trois couches étant obtenue par égouttage puis séchage. Dans le mode de réalisation selon lequel la seconde couche externe contient un matériau de densité inférieure à 0,9, la première caisse de tête contient un mélange dudit matériau, de mousse et de fibres organiques et/ou inorganiques. Lorsque le support est enduit d'une composition photocatalytique, la couche 30 est appliquée par pulvérisation ou enduction par presse encolleuse ou par rouleau applicateur perforé (Ducheneau ou Storck). Comme déjà dit, le support tel que décrit peut être avantageusement utilisé pour la dépollution des lagunes, en particulier les lagunes anaérobies. En conséquence, l'invention concerne également un procédé de dépollution 5 de lagunes, en particulier anaérobie, consistant à déposer à la surface de l'eau, le média filtrant tel que précédemment décrit. L'invention et les avantages qui en découlent ressortiront mieux de l'exemple de réalisation suivant. Sur une machine papier à trois caisses de tête, on réalise par voie humide une nappe fibreuse de masse égale à 40 g/m2 constituée de 10 % de fibres de charbon actif commercialisées par SOFRANCE de surface spécifique égale à 1500 m2/g et sélectives pour l'adsorption de CH4 ET H2S, dont la longueur est comprise entre 2 15 et 7 mm et le diamètre compris entre 15 et 100 #im et de 45 en poids de fibres chimiques organiques Dacron commercialisées par DUPONT S.A. soit 18 g/m2 et 45% en poids de fibres d'alcool polyvinyliques N720 commercialisées par KURARAY, soit 18 g/m2 en sec. Sur ce premier support, on applique, par le biais de la seconde caisse de tête, une nappe fibreuse de masse égale à 70 g/m2 constituée de 90 % en poids de fibres de charbon actif du même type que celles précitées, et 10 % en poids de fibres chimiques organiques. Sur cette seconde couche, on applique, par le biais de la troisième caisse de tête, une nappe fibreuse dont la composition et la masse sont identiques à celles de la première couche. On applique ensuite par enduction par pulvérisation une composition 30 photocatalytique constituée d'un mélange de TiO2 (commercialisé par MILLENIUM) et une dispersion aqueuse de dioxyde de silice (SNOWTEX commercialisé par SEPPIC) à raison de 30 g/m2, la proportion de TiO2 et de dioxyde de silice étant de 50/50. Les tests de dépollution sont effectués sur des colonnes cylindriques de 150 mm de diamètre et de 1,20 m de hauteur contenant: A/ 50 cm de boues constituées d'un mélange de 50% de boues fraîches (riches en matière organiques et à activité bactérienne limitée) et de 50% de boues digérées d'origine lagunaire (à forte activité méthagène) B/ 75 cm d'eau usées à pats égales d'eau usée de réseau et d'eau de lagune 10 primaire d'épuration C/ du média filtrant tel que précédemment décrit pour l'une des colonnes, l'autre colonne étant exempte de média filtrant et constituant la colonne témoin. La durée du test est de 3 mois et le niveau d'eau est complété 3 fois par 15 semaine. Les mesures de production de gaz sur la colonne témoin sont: 49 1/m2 et par jour et composé de CH4 (83%), N2 (14%) C02 ( C02: 96% N2: 4% Un jury d'odeur n'a pas relevé d'odeur nauséabonde traditionnellement décelée avec H2S (seuil olfactif d'H2S décelé par le nez humain: 3 ppb). L'invention et les avantages qui en découlent ressortent bien de la description qui précède. On notera notamment la forte capacité du média de l'invention à 30 adsorber puis détruire les polluants grâce à la présence de charbon actif en proportions très importantes, et ce, tout en gardant une cohésion du média optimale. REVENDICATIONS 1/ Média filtrant à base de charbon actif, caractérisé en ce qu'il comprend trois couches superposées, respectivement une couche interne et deux couches externes, la couche interne étant constituée de 80 à 95 % en poids sec de charbon actif, le complément à 100 % étant constitué de fibres chimiques organiques et/ou inorganiques, la première couche externe comprenant de 45 à 10 95 % en poids sec de fibres chimiques organiques et/ou inorganiques, le complément à 100 % étant constitué de charbon actif et/ou d'un matériau de densité inférieure à 0,9, la seconde couche externe comprenant de 5 à 25 % en poids sec de charbon actif, le complément à 100 % étant constitué de fibres chimiques organiques et/ou inorganiques, en ce que le grammage de la couche 15 interne est compris entre 40 et 200 g/m2 et le grammage des couches externes est compris entre 10 et 100 g/m2, et en ce que le charbon actif se présente sous forme de fibres ou de poudre de granulométrie comprise entre 2 et 300 Utm, seuls ou en mélange. 2/ Média filtrant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la seconde couche externe contient de 5 à 25 % en poids sec de charbon actif. 3/ Média filtrant selon la revendication 1, caractérisé en ce que les couches externes ont la même composition. 4/ Média filtrant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche interne contient 90 % en poids' sec de charbon actif, 10 % en poids sec de fibres chimiques organiques et/ou inorganiques et a un grammage de 70 g/m2 tandis que les couches externes contiennent 10 % en poids sec de charbon actif et ont 30 un grammage égal à 30 g/m2. / Média filtrant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau de densité inférieure à 0,9 représente de 5 à 20 % en poids sec de la première couche externe. 6/ Média filtrant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau de densité inférieure à 0,9 est choisi dans le groupe comprenant le liège, le polystyrène, l'air encapsulé. 7/ Média filtrant selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient du charbon actif sous forme de fibres destinées à adsorber le CH4 et H2S présentant les caractéristiques suivantes - titre du filament 1 à 1,5 dtex, - surface spécifique: 1 400 m2/g, - taux de microporosité: 95 %. 8/ Média filtrant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la seconde couche externe est recouverte d'une couche à base d'agent photocatalyseur. 9/ Média filtrant selon la revendication 8, caractérisé en ce que la couche à base d'agent photocatalyseur se présente sous la forme d'un mélange comprenant entre 10 et 60 parties, avantageusement 50 parties d'une dispersion collodale aqueuse de dioxyde de silice (SiO2), le complément à 100 parties étant constitué de TiO2 anatase. / Média filtrant selon la revendication 9, caractérisé en ce que les particules de SiO2 représentent de 1 à 50 % en poids de la dispersion aqueuse collodale et ont un diamètre compris entre 10 et 40 nrim. 11/ Média filtrant selon la revendication 8, caractérisé en ce que la couche à base d'agent photocatalyseur comprend entre 5 et 40 g/m2, avantageusement g/m2 d'agent photocatalyseur. 12/ Procédé de dépollution de lagune consistant à déposer à la surface de l'eau, le média filtrant objet de la revendication 1. Déposants: AHLSTROM RESEARCH AND SERVICES AHLSTROM CORPORATION AHLSTROM GLASSFIBRE OY Mandataire: Cabinet LAURENT ET CHARRAS