Brevet FR2893607A1 — publié le 20070525

SYSTEME ET PROCEDE D'EPURATION DES EAUX USEES La présente invention concerne un système et un procédé d'épuration permettant un traitement des eaux usées ainsi que des boues biologiques en excès produites lors de ce traitement. Pour l'épuration des eaux usées, il est connu de réaliser des réacteurs biologiques aérobies à concentration de biomasse suspendue, appelés boues activées , mais de tels dispositifs conduisent à une formation importante de biomasse en excès, également appelée boues biologiques , qui doivent être enlevée régulièrement du système. Ces dispositifs, dans lesquels l'eau est brassée et de l'air est injectée par des moyens mécaniques, offrent un rendement biologique très élevé en ce qui concerne la dégradation de la pollution organique, permettent un traitement poussé de l'azote et, à condition de rajouter des réactifs chimiques, du phosphore. Ils présentent un encombrement au sol réduit, mais nécessitent une surveillance et une maintenance soigneuse, notamment pour éviter le départ des boues biologiques avec les eaux traitées, et imposent une gestion régulière des boues biologiques en excès. D'autres dispositifs de traitement des eaux usées sont basés sur un procédé de traitement des eaux usées brutes sur filtres plantés de roseaux. Les filtres plantés de roseaux assurent la filtration physique des matières en suspension contenues dans les eaux usées, également appelées boues primaires , la filtration biologique de la pollution organique et azote dissoute par cultures biologiques fixées, ainsi que le stockage et la minéralisation des boues primaires filtrées. Les dispositifs d'épuration par filtres plantés de roseaux permettent une 25 meilleure gestion des boues et par cela une surveillance et maintenance réduite, mais nécessitent une forte emprise au sol et traitent plus difficilement l'ensemble des fractions azotées et le phosphore. La présente invention a pour objet de réaliser un système et un procédé de traitement des eaux usées plus performant et fiable que les dispositifs d'art antérieur en combinant les avantages des deux filières, par une adaptation et une combinaison des réacteurs à boues activées et des filtres plantés de roseaux. Dans ce but la présente invention propose un système de traitement des eaux usées caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif d'épuration à boues activées pourvu d'une cuve de traitement par boues activées, suivi d'au moins un étage de filtres plantés de roseaux et des moyens d'alimentation des filtres plantés de roseaux par le dispositif d'épuration à boues activées agencés à pouvoir alimenter les filtres plantés de roseaux alternativement en liqueur mixte boues biologiques et eau ou en eau surnageante après décantation des boues biologiques. Notamment la présente invention permet de parfaire le traitement en évitant le rejet intempestif de boues biologiques en sortie de la cuve. Plus particulièrement, le système selon l'invention comprend des moyens d'agitation aptes à réaliser un mélange boues biologiques et eau dans la cuve en sorte de former ladite liqueur. Selon un premier mode de réalisation de l'invention les moyens d'alimentation comportent une canalisation sortant de la cuve et une pompe disposée dans la cuve à un niveau permettant l'alimentation des filtres plantés de roseaux en liquide surnageant à partir de la cuve lorsque l'agitation est arrêté et en liqueur mixte à partir de la cuve lorsque l'agitation est activé. Selon un second mode de réalisation alternatif et/ou complémentaire, les moyens d'alimentation comportent une canalisation sortant de la cuve et une ou plusieurs vannes, l'entrée de la canalisation étant disposée à un niveau adapté à alimenter par gravité les filtres plantés de roseaux en liquide surnageant à partir de la cuve lorsque l'agitation est arrêté et en liqueur mixte à partir de la cuve lorsque l'agitation est activé. Avantageusement, le système comprend un réservoir tampon et des moyens de pompage des eaux à traiter du réservoir tampon vers la cuve. 3 Plus particulièrement, le système de traitement des eaux usées comprend des moyens de commande de cycles d'activation et de désactivation des moyens d'agitation. Selon un mode de réalisation particulier, les moyens d'agitation comportent 5 des moyens d'aération du mélange. L'invention propose en outre un procédé d'épuration d'effluents comportant une alimentation d'au moins un étage de filtres plantés de roseaux par un dispositif d'épuration à boues activées au travers de moyens d'alimentation caractérisé en ce que l'alimentation des filtres plantés de roseaux se fait selon une 10 séquence alternée d'envoi d'une liqueur mixte boues biologiques et eau et d'envoi d'eau surnageante après décantation des boues biologiques. Plus particulièrement, la séquence alternée est réalisée dans un cycle d'activation et de désactivation des moyens d'agitation du mélange d'eau et de boues contenu dans la cuve. 15 Avantageusement, la séquence alternée est commandée par une pompe ou par de l'ouverture et fermeture d'une ou plusieurs vannes. Plus particulièrement, le procédé selon l'invention comporte des séquences d'alimentation de la cuve en eaux à traiter à partir d'un réservoir tampon. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris 20 à la lecture de la description qui va suivre d'exemples de réalisation non limitatifs de l'invention en référence aux figures qui représentent : en figure 1 : une vue schématique en coupe du système selon l'invention ; en figure 2 : une vue en coupe d'une variante du système de la figure 1 comportant deux étages de filtres plantés de roseaux. 25 La figure 1 représente un système de traitement des eaux usées comportant un dispositif d'épuration à boues activées 1, pourvu d'un cuve 2 de traitement par boues activées. L'alimentation de la cuve de fait selon l'exemple par un réservoir tampon 10 et des moyens 11, 12, 13 de pompage des eaux à traiter du réservoir tampon vers 30 la cuve. En amont du réservoir 10, et notamment dans le cas de traitement des effluents vinicoles peut être disposé un dégrilleur 15. Le réservoir tampon reçoit les effluents bruts ou pré traités suivant le type d'effluent, notamment par un dégrillage un dégraissage et/ou un dessablage, qui sont transvasés dans la cuve 2 par les moyens de pompage qui comportent un débitmètre 12 régulant l'arrivée des eaux à traiter dans la cuve 2. Le fonctionnement de la cuve est basé sur le travail de la biomasse aérobie suspendue qu'elle contient pour dégrader la matière organique et azotée contenue 5 dans les eaux à traiter. L'invention tend à éviter l'usage d'un ouvrage de décantation en sortie de la cuve à boues activées ainsi que d'une recirculation de la biomasse décantée vers la cuve, et ceci pour simplifier la mise en oeuvre du procédé. Les conditions de fonctionnement de la cuve à boues activées sont 10 contrôlées dans une fourchette optimale à l'aide du débitmètre 12, éventuellement d'un dispositif de régulation de pH comportant une pompe 16 et un tube d'amenée 17 d'un composé basique 24 et à l'aide d'un dispositif comportant un compresseur 8 et des diffuseurs d'air 9 formant des moyens d'aération et de brassage de la biomasse épuratoire. Une variante peut utiliser un procédé d'aération par système 15 d'hydro éjecteur Selon une variante de l'invention, ces moyens d'aération et de brassage de la biomasse épuratoire 8, 9 sont configurés pour réaliser des moyens d'agitation suffisamment puissants pour, lorsqu'ils sont mis en oeuvre, homogénéiser la mélange en sorte de réaliser une liqueur 21 mixte de boues biologiques et d'eau 20 partiellement traitée. Ces conditions de fonctionnement sont régulées à partir d'un des moyens de commande de cycles d'activation et de désactivation d'aération et d'agitation et, éventuellement d'agitation sans aération. réalisés notamment au moyen d'un boîtier électronique ou automate programmé 14 qui gère les arrivées des eaux à 25 traiter dans la cuve, l'aération du mélange et l'acidité du milieu, à l'aide de capteurs non représentés pour ne pas surcharger les figures. Le système comporte un ou deux étages de filtres plantés de roseaux 3 en aval de la cuve 2 et des moyens d'alimentation 4, 5 et 6 du premier étage des filtres plantés de roseaux, 3a par le dispositif d'épuration par boues activées 1. 30 Les filtres plantés de roseaux comportent traditionnellement des roseaux plantés dans un substrat multi-couches, le substrat colonisé par une biomasse épuratoire fixe assure une filtration physique des matières en suspension contenues dans les eaux usées, également appelées boues primaires , la filtration biologique de la pollution organique et azote dissoute, ainsi que le stockage et la minéralisation des boues primaires filtrées. Selon le niveau de traitement à atteindre, ils peuvent être mis en oeuvre en un ou plusieurs étages. Selon l'invention, les moyens d'alimentation du premier étage des filtres plantés de roseaux 3a sont agencés de façon à ce que ce premier étage des 5 filtres plantés de roseaux puisse être alimenté soit avec des eaux partiellement traitées, soit avec une liqueur mixte des eaux partiellement traitées et de boues biologiques. Selon la figure 1, sur laquelle un dispositif à un étage de filtres est représenté, les moyens d'alimentation comportent une canalisation 5 sortant de la cuve 2 et une pompe 4 disposée dans la cuve à un niveau permettant une alimentation des filtres en eau partiellement traitée, c'est-à-dire du liquide surnageant à partir de la cuve lorsque le dispositif d'aération et de brassage 8,9 est arrêté, et une alimentation en liqueur mixte eaux partiellement traitées et boue biologiques lorsque le dispositif d'aération et de brassage 8, 9 est en marche. La pompe 4 est par exemple une pompe flottante comportant une bouche d'aspiration disposée juste au dessous de la surface du liquide contenue dans la cuve. La figure 2 représente une variante de l'invention pour laquelle les moyens d'alimentation comportent une canalisation 6 disposée dans la cuve à la limite de la surface du liquide, dont l'ouverture est régulée par une ou plusieurs vannes automatiques 7, de façon à permettre une alimentation en eau partiellement traitée c'est-à-dire du liquide surnageant à partir de la cuve lorsque le dispositif d'aération et de brassage 8, 9 est arrêté, et une alimentation en liqueur mixte eaux partiellement traitée et boues biologiques lorsque le dispositif d'aération et de brassage 8, 9 est en marche. En effet, un principe de fonctionnement du système selon l'invention est d'alimenter les filtres plantés de roseaux non comme dans l'art antérieur soit par des boues biologiques préalablement décantées de l'ouvrage de décantation ou du liqueur mixte du bassin d'aération en vue de déshydrater et minéraliser les boues biologiques en excès, soit avec de l'eau à traiter, mais à partir du réacteur de boues activées, en vue de retenir, déshydrater et minéraliser les boues biologiques en excès soutiré avec les eaux partiellement traitées de la cuve, des boues biologiques qui se seraient accidentellement échappées, de retenir les flottants, ainsi que de parfaire le traitement des eaux usées. 6 En effet, dans les dispositifs de boues activées de l'art antérieur, un problème était d'éviter le rejet de boues biologiques et d'autres flottants avec les eaux traitées dans le milieu naturel. L'invention part du principe contraire d'utiliser un rejet contrôlé de boues biologiques et des eaux partiellement traitées de la cuve des boues activées vers les filtres plantés de roseaux, de sorte à ce que les deux dispositifs du système, les boues activées et les filtres plantés de roseaux, travaillent selon un rendement maximal et ce en vue de réduire de simplifier et sécuriser le fonctionnement des boues activées, éventuellement de réduire le volume de la cuve, de traiter et stocker les boues biologiques produites, ainsi que de réduire la surface au sol des filtres plantés de roseaux, notamment en réduisant le nombre d'étages nécessaires pour atteindre un niveau de traitement donné (un à la place de deux dans le plupart des cas) et de permettre d'adapter l'installation à un grand nombre de polluants. Avantageusement, l'alimentation des filtres plantés de roseaux est faite en alternance avec de la liqueur mixte et de l'eau partiellement traitée. Pour cela, le système comporte avantageusement des moyens, automate 14 par exemple, de programmation d'un cycle constitué d'une phase d'aération et de brassage dans la cuve permettant d'obtenir une liqueur mixte des eaux partiellement traitées et de boues biologiques comme représenté en figure 1, et d'une phase d'arrêt de l'aération et de brassage, permettant une décantation des boues biologiques et la formation d'un surnageant de l'eau partiellement traitées et de flottants comme représenté en figure 2. La programmation du fonctionnement de la pompe 4 dans le système représenté dans la figure 1 ou de l'ouverture de la ou les vannes 7 dans la variante représenté dans la figure 2 permet alors de programmer l'alimentation des filtres plantés de roseaux soit avec de la liqueur mixte, lors de la phase d'aération et de brassage, soit avec de l'eau partiellement traitée lors de la phase d'arrêt de l'aération et du brassage. La programmation de ces cycles d'alimentation permet de soutirer à intervalles réguliers des boues biologiques en excès de la cuve de boues activées vers les filtres plantés de roseaux et de garder une concentration optimale de la biomasse épuratoire dans la cuve des boues activées. Elle permet entre autre d'éviter que les filtres plantés de roseaux soient alimentés pendant le remplissage de la cuve de boues activées par l'arrivée 11. En variante représentée en figure 2, le système comporte un premier réservoir tampon 18 avant les filtres plantés de roseaux 3a, puis, dans le cas de la présence d'un second étage 3b, un deuxième réservoir 19 avant ce second étage de filtres plantés de roseaux. Dans le cas du système représenté en figure 2, les filtres plantés de roseaux sont situés à un niveau inférieur au niveau du liquide dans la cuve pour permettre le remplissage par gravité du réservoir tampon 18 et l'écoulement dans le filtre 3a à partir de ce réservoir tampon ou directement à partir de la cuve. Le procédé d'épuration d'effluents selon l'invention comporte ainsi l'alimentation des filtres plantés de roseaux 3 à partir d'un dispositif d'épuration à boues activées 2 au travers de moyens d'alimentation, pompe 4 et canalisation 5 pour l'exemple de la figure 1, et canalisation 6 et vannes 7 pour l'exemple de la figure 2 où l'écoulement se fait par gravité, l'alimentation des filtres plantés de roseaux se faisant en particulier selon une séquence alternée d'envoi d'une liqueur mixte eaux partiellement traitées et boues biologiques 21 et d'envoi du liquide surnageant 22. La régulation de la séquence est réalisée par l'automate 14 programmé en 20 fonction du type d'effluents à traiter. En particulier, lorsque les effluents comportent beaucoup d'azote et du phosphore et lorsqu'on souhaite traiter ces éléments polluants, le cycle de fonctionnement privilégiera un traitement prolongée dans la cuve des boues activées 2, alors que dans le cas d'effluents fortement chargés en matière 25 organique, on privilégiera le traitement par les filtres plantés de roseaux 3, le rôle des boues activées en amont se limite alors à rendre compatible les effluents avec un tel traitement sans que cela engendre une augmentation pénalisante des dimensions des filtres. Outre la commande de la pompe 4, dans l'exemple de la figure 1, ou de la 30 ou les vannes 7, selon l'exemple de la figure 2, la séquence alternée comprend la commande, par le cycle d'activation et de désactivation, des moyens d'agitation du mélange eau et boues biologiques dans la cuve, ces moyens d'agitation étant préférablement les moyens d'aération et de brassage 8, 9, afin de ne pas devoir ajouter d'équipements supplémentaires. En fonction des objectifs de traitement à 8 atteindre, et notamment en vue d'une dénitrification poussée, un dispositif d'agitation indépendant du dispositif d'aération 8, 9 peut s'avérer néanmoins nécessaire. Les moyens d'aération et de brassage sont commandés selon une séquence alternée réalisant une phase mélangée 21 et une phase de séparation pendant laquelle les boues biologiques 23 décantent dans le fond de la cuve pour permettre l'évacuation de l'eau seule dans les filtres plantés de roseaux. La phase d'agitation est représentée dans le cadre de la figure 1 et la phase de séparation par décantation en figure 2. Le cycle de fonctionnement du procédé comporte également des séquences d'alimentation de la cuve 2 en eaux à traiter à partir du réservoir tampon 10. La programmation de l'alimentation des filtres plantés de roseaux 3 à partir de la cuve 2 par la commande de la pompe 4 dans l'exemple de la figure 1 ou de la ou les vannes 7 dans l'exemple de la figure 2 permet d'éviter l'envoi des eaux insuffisamment traitées sur les filtres plantés de roseaux et de maintenir la concentration voulue de boues biologiques dans la cuve. En résumé, un cycle de fonctionnement du système possible et préféré dans le cadre du procédé de la présente invention et au moyen du système de la 20 présente invention est le suivant : rechargement de la cuve 2 en eaux à traiter à partir du réservoir tampon 10; aération et brassage des eaux à traiter avec les boues biologiques contenues dans la cuve 2, d'une durée plus ou moins longue en fonction de la 25 qualité des eaux à envoyer sur les filtres plantés de roseaux ; si une dénitrification est recherchée, la séquence d'aération sera interrompue alors qu'une agitation sera maintenue pendant les phases d'arrêt de l'aération ; si un traitement du phosphore est recherché, la séquence comprendra 30 l'injection des réactifs chimiques vers la fin de la séquence d'aération et de brassage ; afin de maintenir la concentration voulue de la biomasse épuratoire dans la cuve, les boues biologiques produites en excès seront soutirées à des intervalles réguliers, mais pas forcement lors de chaque cycle de fonctionnement, de la cuve 9 avec la liqueur mixte qui est envoyée sur les filtres plantées de roseaux vers la fin de la séquence d'aération et de brassage, le cas échéant après l'injection des réactifs chimiques pour le traitement du phosphore ; après l'arrêt de l'aération et de brassage et de toute autre forme d'agitation : décantation des boues biologiques et envoi des eaux surnageantes plus ou moins traitées ainsi que des flottants sur les filtres plantés de roseaux afin de pouvoir recommencer un nouveau cycle. Les filtres plantés de roseaux assurent alors, lors de la fréquence la filtration et rétention des boues biologiques contenues dans la liqueur mixte, son stockage, sa déshydratation et sa minéralisation sur la surface des filtres du premier étage, ainsi que le parachèvement du traitement des eaux contenues dans le liqueur mixte par filtration biologique sur un ou plusieurs étages des filtres ; la rétention des flottants et des boues biologiques qui se seraient échappées de la cuve avec les eaux traitées sur la surface des filtres du premier étage ainsi que le parachèvement du traitement des eaux par filtration biologique sur un ou plusieurs étages des filtres. Selon l'invention, le dispositif de cuve à boues activées permet de traiter notamment des effluents de type urbains de Cv proche de 0,275 à 0,3 kg DBO5/m3/j voir jusqu'à des valeurs de 0,5 kg DBO5/m3/j et de Cm proche de 0,05 à 0,08 kg DBO5/kg MVS/j voir jusqu'à 0.12 kg DBO5/kg MVS/j et des effluents de type agro-alimentaires de Cv entre 0,4 et 1 kg DBO5/m3/j et de Cm entre 0,08 et 0,25 kg DBO5/kg MVS/j par exemple des effluents vinicoles de Cv proche de 0,8kg DBO5/m3/j et de Cm proche de 0,2kg DBO5/kg MVS/j, le lit planté de roseaux assurant un traitement complémentaire des boues de type 50 kg MS/m2/an, la charge hydraulique acceptable pour le lit servant à la fois de traitement des boues et de filtration du rejet étant en vitesse de l'ordre de 0,2 à 0,5 m3/j/m2 et en lame d'eau de 2 à 10 cm par bachée et 50 à 90 cm/j. Par exemple, la réduction recherchée pour le système permet de passer à une cuve de 30m3 à la place d'une cuve de 50m3 pour un système réacteur biologique et à une surface de 24 à 30 m2 au lieu de 48 m2 pour un lit planté de roseaux. L'invention ne se limite pas aux exemples représentés et le système peut notamment comprendre, outre les moyens de régulation du pH, des moyens 10 d'apport de nutriments, pour des effluents carencés, commandés par l'automate assurant le fonctionnement du système et régulant les cycles de brassage/décantation ainsi que les séquences d'alimentation des filtre, un ou plusieurs étages de filtres plantés de roseaux pouvant être prévus. REVENDICATIONS 1 - Système de traitement des eaux usées caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif d'épuration à boues activées (1) pourvu d'une cuve (2) de traitement par boues activées, suivi d'au moins un étage de filtres plantés de roseaux (3) et des moyens d'alimentation (4, 5, 6) des filtres plantés de roseaux (3) par le dispositif d'épuration à boues activées (1) agencés à pouvoir alimenter les filtres plantés de roseaux (3) alternativement en liqueur mixte (21) boues biologiques et eau ou en eau surnageante (22) après décantation des boues biologiques. 2 - Système de traitement des eaux usées selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'agitation (8, 9) aptes à réaliser un mélange boues biologiques et eau dans la cuve (2) en sorte de former ladite liqueur (21). 3 - Système de traitement des eaux usées selon la revendication 2 caractérisé en ce que les moyens d'alimentation comportent une canalisation (5) sortant de la cuve (2) et une pompe (4) disposée dans la cuve à un niveau permettant l'alimentation des filtres plantés de roseaux en liquide surnageant (22) à partir de la cuve (2) lorsque l'agitation est arrêté et en liqueur mixte (21) à partir de la cuve lorsque l'agitation est activé. 4 - Système de traitement des eaux usées selon la revendication 2 ou 3 caractérisé en ce que les moyens d'alimentation comportent une canalisation (6) sortant de la cuve (2) et une ou plusieurs vannes (7), l'entrée de la canalisation étant disposée à un niveau adapté à alimenter par gravité les filtres plantés de roseaux en liquide surnageant (22) à partir de la cuve (2) lorsque l'agitation est arrêtée et en liqueur mixte (21) à partir de la cuve lorsque l'agitation est activée. 5 - Système de traitement des eaux usées selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend un réservoir tampon (10) et des moyens (11,12, 13) de pompage des eaux à traiter du réservoir tampon vers la cuve (2). 6 - Système de traitement des eaux usées selon la revendication 2 30 caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de commande de cycles d'activation et de désactivation des moyens d'agitation 7 - . Système de traitement des eaux usées selon la revendication 6 caractérisé en ce que les moyens d'agitation comportent des moyens d'aération du mélange. 8 - Procédé d'épuration d'effluents tels que des eaux usées comportant une alimentation d'au moins un étage de filtres plantés de roseaux (3) par un dispositif d'épuration à boues activées (1) au travers de moyens d'alimentation (4, 5, 6) caractérisé en ce que l'alimentation des filtres plantés de roseaux se fait selon une séquence alternée d'envoi d'une liqueur mixte (21) boues biologiques et eau et d'envoi d'eau surnageante (22) après décantation des boues biologiques. 9 - Procédé selon la revendication 8 caractérisé en ce qui la séquence alternée est réalisée dans un cycle d'activation et de désactivation des moyens d'agitation (8,9) du mélange d'eau et de boues contenu dans une cuve du dispositif d'épuration. 10 - Procédé selon la revendication 8 caractérisé en ce qui la séquence 15 alternée est commandée par une pompe (4) ou par de l'ouverture et fermeture d'une ou plusieurs vannes (7). 11 - Procédé selon les revendications 8 à 10 caractérisé en ce qu'il comporte des séquences d'alimentation de la cuve (2) en eaux à traiter à partir d'un réservoir tampon (10). 20 25