Brevet FR2907447A1 — publié le 20080425

Elément support de biofilm pour réacteur d'épuration biologique d'eau, présentant une série d'ondulations, et réacteur correspondant. Le domaine de l'invention est celui du traitement des eaux. Plus précisément, l'invention concerne le traitement biologique des effluents en vue de leur potabilisation ou de leur épuration, tels que notamment mais non exclusivement les eaux usées urbaines ou industrielles. Il existe divers types de traitements biologiques de la pollution des eaux. Ces traitements s'appuient sur la faculté dont dispose la biomasse (fixe ou mobile) d'éliminer la pollution biodégradable, grâce aux différents micro-organismes qu'elle contient. Dans ces traitements, il est extrêmement difficile d'obtenir une concentration importante des différentes espèces de micro-organismes dans le cas des procédés à biomasse libre, tels que ceux à boues activées (ceci étant lié aux limites des procédés de séparation liquide solide tel que la clarification). Cela est dû au fait que la biomasse est maintenue dans le système par un procédé de séparation gravitaire (clarificateur secondaire). Cette technique est de plus limitée par la charge applicable en termes de DBO (demande biologique en oxygène), de DCO (demande chimique en oxygène), mais aussi en regard de l'azote ou d'autres polluants inorganiques. Dans les systèmes avec une biomasse fixe comme les procédés connus sous le nom de procédé de biofiltration, la concentration de la biomasse (en bactéries) est obtenue en faisant adhérer les bactéries à un élément support. La capacité de clarification pour maintenir la biomasse dans le système n'est alors plus un critère essentiel et cette technique présente un potentiel de purification très supérieur aux procédés classiques. La plupart des procédés à biofilm reposent sur la mise en oeuvre d'un réacteur intégrant des éléments supports sous forme de corps creux ou de blocs fixés de façon stationnaire dans le réacteur. Cette technique implique un risque de colmatage des éléments supports par la biomasse ou par d'autres matériaux, ce qui peut entraîner la formation de 2907447 2 zones inactives ou de raccourcis dans l'unité de traitement. Un tel phénomène se traduit alors par un contact insatisfaisant entre l'eau à traiter et les micro-organismes, ainsi que par une réduction du volume actif de l'unité. Une autre technique consiste à mettre les éléments supports en 5 suspension dans le réacteur. Un tel procédé a notamment été décrit au début des années 90 dans le document de brevet publié sous le numéro WO-91/011396. Selon le procédé décrit, les éléments supports présentent : une surface support de biofilm au moins 1,5 fois supérieure à 10 celle d'éléments supports lisses de mêmes dimensions ; une densité comprise entre 0,9 et 1,2 ; une surface externe partiellement protégée contre l'usure susceptible d'être engendrée par le contact avec d'autres éléments supports ; 15 des parois permettant un large passage de l'eau à travers l'élément support. Ces éléments se présentent essentiellement sous forme de portions tubulaires présentant des cloisons internes et des ailettes externes. Du fait de leur mobilité inhérente à la technique dite MBBR (Mobile Bed 20 Biofilm Reactor), les éléments supports sont exposés à des collisions répétées entre eux. Ceci a pour conséquence que les surfaces des supports exposées à celles des autres éléments supports ont tendance à rester nettoyées de toute croissance de biofilm. L'efficacité du traitement est alors considérablement dépendant des 25 zones protégées des collisions, celles-ci étant notamment constituées par les passages internes et les compartiments des éléments supports. Ainsi, l'objectif de former une grande surface support protégée a initialement conduit à mettre en oeuvre des éléments supports de petites dimensions (plus petits que 15 mm) dans les procédés MBBR. 2907447 3 Les développements suivants ont permis d'identifier les conditions critiques permettant de garantir une surface support importante sur des éléments supports de plus grande taille tout en ayant une surface protégée importante. Dans ce contexte, un élément support a été décrit par le document de 5 brevet publié sous le numéro WO-95/25072 selon lequel l'élément support prend la forme d'un support cylindrique constitué de parois radiales et présentant un évidement central, les parois étant interconnectées de façon à former une structure de forme proche de celle d'une turbine. Les éléments supports de ce type, dont la taille varie entre 30 et 60 mm et 10 ayant une surface protégée d'environ 300 m2/m3 de volume global, ont été utilisés à de nombreuses reprises. Cependant, en pratique, il n'a pas été possible d'utiliser de tels éléments supports (supérieurs à 15 mm) prévus pour atteindre une surface protégée supérieure à 400 m2/m3 de volume global sans engendrer des problèmes relatifs 15 au transfert de masse vers et dans le biofilm , tels que le colmatage par la biomasse des passages au travers des éléments. Plus récemment, un élément support combinant de grandes dimensions en longueur et diamètre avec une surface protégée supérieure à 1000 m2/m3 de volume global a été décrit par le document de brevet publié sous le numéro EP- 1 20 340 720. Cela étant, en dehors des considérations de tailles et de surfaces protégées, les éléments supports existants présentent un point commun s'agissant de leur fragilité mécanique du fait de la conception de leurs ouvertures multiples et des problèmes liés au transfert vers et dans le biofilm. 25 On connaît par ailleurs un élément support sous forme d'un tube plastique ondulé, développé dans les années 90. Cet élément support fut utilisé entre autres pour des études liées à l'évolution des procédés de traitement d'eaux usées due à la mise en oeuvre de réacteur de type MBBR ( Upgrading of a small WWTP in a cold climate region using a MBBR system , Water Science and Technology 30 (2000), vol 41 n 1, pp 177-185, et Dairy wastewater treatment in a moving bed 2907447 4 biofilm reactor , Water Science and Technology (2002), vol 45 n 12, pp 321-328). Toutefois, la taille de ces éléments supports, malgré des dimensions excédant 20 mm (longueur = 25 mm et diamètre extérieur de 20 mm), rend ceux- 5 ci particulièrement difficile à utiliser à cause de la surface protégée particulièrement faible qu'ils présentent en comparaison des autres éléments supports existants. De plus, la conception de ces éléments supports induit des conditions hydrauliques qui ne vont pas dans le sens d'un développement du biofilm 10 optimisé. En outre, la surface protégée est relativement réduite (160 m2/m3) et la profondeur des ondulations représente moins de 20% (environ 18%) du rayon externe de l'élément. En d'autres termes, on note donc que, de façon générale, malgré la variété 15 de formes et de dimensions des éléments supports existants, ceux-ci ont en commun deux inconvénients. L'un de ces inconvénients est lié à leur résistance mécanique. Ceci est dû d'une part au matériau utilisé pour la fabrication des éléments supports (plastique souple dont la densité est proche de celle de l'eau pour permettre une bonne 20 répartition des éléments dans le réacteur) et, d'autre part, à leur conception visant à leur conférer une grande surface protégée, ceci par la mise en oeuvre de cloisons et d'ouvertures multiples. La combinaison de ces deux points rend les éléments supports fragiles. L'autre de ces inconvénients est lié à l'objectif d'offrir, au moins 25 partiellement, des conditions appropriées pour le développement d'une structure de biofilm épais sans pour autant entraîner le colmatage des éléments. En effet, en général, un biofilm épais actif se caractérise par une distribution des nutriments et, dans le cas des systèmes aérés, par l'oxygénation du biofilm. Cela rend possible d'établir de plus grandes variations des conditions 30 environnantes pour des types de bactéries différentes et, par conséquent, 2907447 5 augmenter la diversité de la faune microbienne dans le biofilm. On contribue ainsi à améliorer les performances du traitement. En revanche, l'absence de possibilité d'obtenir, au moins partiellement, un biofilm épais se traduit par une diminution de l'âge réel des boues, limitant voire supprimant le développement 5 des bactéries avec un taux de croissance faible dans le biofilm. Les éléments supports connus ont tendance à limiter voire supprimer le développement d'un biofilm épais du fait de la mise en oeuvre d'ouvertures multiples (entraînant des boues continuellement jeunes du fait de l'abrasion excessive et permanente du biofilm par l'air et l'eau) et/ou à entraîner un 10 colmatage des éléments supports de nature à bloquer l'accès aux surfaces protégées. L'invention a notamment pour objectif de pallier les inconvénients de l'art antérieur. Plus précisément, l'invention a pour objectif de proposer un élément 15 support de biofilm pour le traitement biologique de l'eau qui permette d'offrir des surfaces protégées pour la croissance de biomasse qui soient notablement supérieures à celles de l'art antérieur. L'invention a également pour objectif de fournir un tel élément support qui permette une répartition homogène de la biomasse au sein d'un réacteur. 20 L'invention a aussi pour objectif de fournir un tel élément support qui présente une bonne tenue mécanique. Un autre objectif de l'invention est de fournir un tel élément support qui ne soit pas, ou peu, sujet aux phénomènes de colmatage. Encore un autre objectif de l'invention est de fournir un tel élément 25 support qui soit simple de conception, facile à mettre en oeuvre et peu coûteux à réaliser. Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints grâce à l'invention qui a pour objet un élément support de biofilm destiné à être immergé dans un réacteur de traitement biologique d'eau, comprenant une 30 enveloppe tubulaire présentant deux ouvertures d'extrémités communiquant 2907447 6 entre elles par un canal, ladite enveloppe présentant une surface interne délimitant ledit canal et une surface externe, ladite enveloppe présentant une série d'ondulations formant déformations de ladite surface interne et de ladite surface externe, caractérisé en ce que ladite enveloppe présente une longueur 5 inférieure à 15 mrn et en ce que le volume desdites ondulations représente entre environ 20% et environ 29% du volume total de ladite enveloppe, avantageusement entre environ 25% et environ 29% et préférentiellement environ 29%. De telles caractéristiques du support selon l'invention engendrent des 10 phénomènes hydrodynamiques uniques à l'intérieur de l'élément support. Grâce à une analyse CFD (Computational Fluid Dynamics), il a été déterminé un rapport optimal entre la géométrie d'un élément support, la surface protégée et le volume des ondulations. Selon ces tests, un volume protégé des corrugations de 29% permet une circulation du liquide maximal à l'intérieur de 15 l'élément support. Ces conditions garantissent un transfert de matière optimal tout en gardant une contrainte importante dans l'axe longitudinal du support (évitant ainsi son colmatage). Ainsi, l'invention pallie les inconvénients de l'art antérieur, en ce qu'elle propose un élément support combinant les avantages de : 20 offrir une résistance mécanique satisfaisante (de par la présence des ondulations) ; offrir des niches pour le développement d'un biofilm actif épais (à l'intérieur des ondulations, que ce soit sur la surface interne ou la surface externe de l'enveloppe) et de boues 25 âgées; - assurer un bon transport de l'eau et de l'oxygène ; - éviter les phénomènes de colmatage. On note que les niches formées forment des surfaces protégées tant vis-à-vis des collisions avec d'autres éléments supports que vis-à-vis de l'abrasion due 30 aux flux d'eau et d'air, ceci quelque soit les flux générés par le système pour 2907447 7 l'aération et le mélange mécanique, ou encore les forces additionnelles pour le contrôle du film. On obtient donc un développement optimisé avec un biofilm actif sur la totalité de la surface et partiellement épais. 5 Selon une solution avantageuse, ladite enveloppe présente une longueur comprise entre environ 7 mm et environ 15 mm, et préférentiellement d'environ 10,4 mm. Selon une autre caractéristique avantageuse, ladite enveloppe présente un diamètre externe compris entre environ 8 mm et environ 12 mm et 10 préférentiellement d'environ 10 mm Selon encore une autre caractéristique avantageuse, ladite enveloppe présente un diamètre interne compris entre environ 5 mm et environ 7 mm, et préférentiellement d'environ 6 mm De telles dimensions contribuent à la répartition des contraintes à 15 l'intérieur de l'élément de façon qu'elle soit limitée au niveau des surfaces protégées et plus importante en s'approchant de l'axe longitudinal. Les dimensions relativement importantes de l'élément à ondulations de l'art antérieur ne permet pas un tel résultat. Ces faits permettent d'optimiser la surface spécifique tout en maintenant une ouverture importante afin de limiter le 20 colmatage. Selon un mode de réalisation préféré, ladite enveloppe est réalisée dans un matériau plastique ou composite. Selon une solution avantageuse, ladite enveloppe présente une épaisseur comprise entre environ 0,2 mm et environ 0,7 mm, et préférentiellement 25 d'environ 0,5 mm. Selon une autre caractéristique avantageuse, ladite enveloppe présente un poids volumique compris entre environ 0,92 g.cm-3 et 1,1 g.cm3, et préférentiellement d'environ 0,95 g.cm3. Selon une solution avantageuse, l'élément de support de biofilm 30 comprend trois à six ondulations, et préférentiellement quatre ondulations. 2907447 8 Préférentiellement, lesdites ondulations présentent chacune une profondeur au moins égale à 30% du rayon de ladite enveloppe. L'invention concerne également un réacteur biologique pour le traitement de l'eau intégrant une pluralité d'éléments supports de biofilm tel que décrit 5 précédemment. Selon un premier mode de réalisation, lesdits éléments supports sont mobiles. Selon un deuxième mode de réalisation, lesdits éléments supports sont fixes. 10 Selon une caractéristique avantageuse, lesdites surfaces internes desdits éléments supports représentent une surface protégée pour le développement d'un biofilm supérieure à 200 m2 pour 1 m3 de volume dudit réacteur, et préférentiellement 300 m2 pour 1 m3 voire 350 m2. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus 15 clairement à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention et de plusieurs de ses variantes, donnés à titre d'exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés parmi lesquels : la figure 1 est une représentation schématique d'un élément support selon l'invention ; 20 la figure 2 est une vue d'extrémité d'un élément support selon l'invention ; - la figure 3 est une vue d'un élément support selon l'invention selon la coupe A-A indiquée sur la figure 2 ; - la figure 4 est une représentation graphique de répartitions 25 des contraintes sur la longueur d'un élément support selon l'invention et d'un élément support selon l'art antérieur ; les figures 5 et 6 sont des relevés d'abattement respectivement de la DCO soluble et de la DCO totale avec un élément support selon l'invention et un élément support 30 selon l'art antérieur. 2907447 9 En référence à la figure 1, un élément support selon l'invention est du type constitué d'une enveloppe 1 plastique présentant des ondulations 11 identiques sur la paroi interne et sur la paroi externe de l'enveloppe, l'enveloppe présentant à chacune de ses extrémités une ouverture 12, les ouvertures étant 5 reliées par un canal 13. On note que les ouvertures 12 présentent, telles qu'illustrées par la figure 1, des diamètres identiques, ces diamètres pouvant toutefois être différents l'un de l'autre selon un autre mode de réalisation envisageable. 10 Chaque ondulation (ici au nombre de quatre mais éventuellement de trois à six selon un mode de réalisation envisageable) procure une zone protégée 131 à l'intérieur de l'enveloppe, et une zone protégée 132 à l'extérieur de l'enveloppe, à l'intérieur de laquelle le biofilm est destiné à se développer en adhérant à la surface protégée correspondante. 15 Pour chaque élément, la somme des volumes protégés 131, 132 représente au moins 58% du volume total de l'enveloppe (la somme des volumes 131 représentant 29% et la somme des volumes 132 représentant 29% du volume total). Selon le mode de réalisation illustré par les figures 2 et 3, un élément 20 support présente les dimensions suivantes : une longueur L d'environ 10,4 mm (et plus généralement comprise entre 7 et 15 mm, et encore plus généralement inférieure à 15 mm) ; un diamètre extérieur DouT d'environ 10 mm (plus 25 généralement compris entre 8 et 12 mm) ; un diamètre intérieur D1NT d'environ 6 mm (plus généralement compris entre 5 et 7 mm) ; une épaisseur B de l'enveloppe d'environ 0,5 mm (plus généralement comprise entre 0,2 mm et 0,7 mm). 30 Le matériau plastique dans lequel est réalisée l'enveloppe présente 2907447 10 préférentiellement un poids volumique d'environ 0,95 g.cm-3 (plus généralement compris entre 0,92 g.cm-3 et 1,1 g.cm-3). Les dimensions de l'enveloppe sont en outre préférentiellement choisies de telle sorte que les ondulations présentent une profondeur représentant au 5 moins 30% de DOUT/2. On cherche, dans la détermination des paramètres qui viennent d'être listés, à obtenir une surface protégée qui représente 350 m2/m3 en considérant le volume global du réacteur (voire 300 m2/m3 seulement, et à tout le moins au moins 200 m2/m3 selon les dimensions du support utilisées), de telles valeurs 10 offrant une surface suffisante pour un bon développement du biofilm et permettant un traitement performant. Des tests de modélisation hydraulique ont été réalisés par ordinateur selon une technique reconnue pour évaluer les champs dynamiques et les contraintes mécaniques d'un système. 15 Selon ces tests, dans des conditions hydrauliques identiques, l'analyse CFD (Computational Fluids Dynamics) révèle clairement le faible niveau de contraintes s'exerçant sur la surface interne d'un élément support selon l'invention comparé à celles s'exerçant sur un élément support à ondulations selon l'art antérieur. 20 Parallèlement, tel que l'illustrent les graphes de la figure 4, l'élément support A selon l'invention présente un niveau de contraintes plus élevé que l'élément 13 ondulé de l'art antérieur lorsqu'on s'approche de l'axe longitudinal. Ceci est d'importance dans la mesure où l'on évite ainsi les phénomènes de colmatage. 25 L'élément support selon l'invention favorise donc le développement de biomasse tout en évitant que ce développement engendre un colmatage, ce qui différencie notablement l'élément selon l'invention de l'élément à ondulations de l'art antérieur. Des tests préliminaires ont été également conduits dans une configuration 30 à échelle pilote de type MBBR (on rappelle que des éléments supports selon 2907447 11 l'invention peuvent également être utilisés dans des réacteurs à lit fixe). Deux unités ont été testées en parallèle, l'une équipée avec l'élément support A selon l'invention, et l'autre avec un élément support de référence C . Les paramètres opérationnels qui ont été utilisés sont ceux classiquement 5 rencontrés dans le cadre du traitement des eaux usées. Tel que le fait apparaître la figure 5, les résultats obtenus en termes d'abattement de la DCO soluble sont identiques pour les deux unités. En revanche, tel que le fait apparaître la figure 6, l'unité utilisant les éléments supports selon l'invention présente des meilleures performances en 10 termes d'abattement de la DCO totale que l'unité utilisant les éléments supports de référence. En outre l'examen des éléments supports après traitement montre : une bonne adhérence de la biomasse aux surfaces des éléments supports selon l'invention ; 15 - le maintien d'un passage central avec les éléments supports selon l'invention, tandis qu'un colmatage quasi total apparaît sur les éléments supports de référence. En effet, tel que l'illustre la figure 7, pour des volumes protégés de corrugation de l'ordre de 20%, l'élément support selon l'invention présente 20 un niveau de contrainte dans l'axe longitudinal relativement élevé et de l'ordre de 0,24 Pa. Cependant, pour un volume protégé de corrugations de 29%, on observe un niveau de contrainte sur l'axe longitudinal proche à la valeur maximale (0,28 Pa). Ceci est d'importance dans la mesure où l'on évite ainsi les phénomènes de colmatage à l'intérieur du support. 25 En revanche, la simulation CFD montre que l'utilisation d'un volume protégé de corrugation supérieur à 29% peut réduire significativement cette contrainte. Parallèlement, en regardant la contrainte s'exerçant sur la surface interne du support, nous observons de très faibles valeurs ( REVENDICATIONS 1. Elément support de biofilm destiné à être immergé dans un réacteur d'épuration biologique d'eau, comprenant une enveloppe tubulaire présentant deux ouvertures d'extrémités communiquant entre elles par un canal, ladite enveloppe présentant une surface interne délimitant ledit canal et une surface externe, ladite enveloppe présentant une série d'ondulations formant déformations de ladite surface interne et de ladite surface externe, caractérisé en ce que ladite enveloppe présente une longueur inférieure à 15 mm et en ce que le volume desdites ondulations représente entre environ 20% et environ 29% du volume total de ladite enveloppe. 2. Elément support de biofilm selon la revendication 1, caractérisé en ce que le volume desdites ondulations représente entre environ 25% et environ 29%. 3. Elément support de biofilm selon la revendication 2, caractérisé en ce que le volume desdites ondulations représente environ 29%. 4. Elément support de biofilm selon l'une quelconque des revendicaitons 1 à 3, caractérisé en ce que ladite enveloppe présente une longueur comprise entre environ 7 mm et environ 15 mm. 5. Elément support de biofilm selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite enveloppe présente un diamètre externe compris entre environ 8 mm et environ 12 mm. 6. Elément support de biofilm selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite enveloppe présente un diamètre externe d'environ 10 mm. 7. Elément support de biofilm selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ladite enveloppe présente un diamètre interne compris entre environ 5 mm et environ 7 mm. 8. Elément support de biofilm selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ladite enveloppe est réalisée dans un matériau plastique ou composite. 2907447 14 9. Elément support de biofilm selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite enveloppe présente une épaisseur comprise entre environ 0,2 mm et environ 0,7 mm. 10. Elément support de biofilm selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 9, caractérisé en ce que ladite enveloppe présente un poids volumique compris entre environ 0,92 g.cm-3 et 1,1 g.cm-3. 11. Elément support de biofilm selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend trois à six ondulations. 12. Elément support de biofilm selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 11, caractérisé en ce que lesdites ondulations présentent chacune une profondeur au moins égale à 30% du rayon de ladite enveloppe. 13. Réacteur biologique pour le traitement de l'eau intégrant une pluralité d'éléments supports de biofilm selon l'une quelconque des revendications 1 à 12. 14. Réacteur biologique selon la revendication 13, caractérisé en ce que 15 lesdits éléments supports sont mobiles. 15. Réacteur biologique selon la revendication 13, caractérisé en ce que lesdits éléments supports sont fixes. 16. Réacteur biologique selon l'une quelconque des revendications 13 à 15, caractérisé en ce que lesdites surfaces internes desdits éléments supports 20 représentent une surface support de biofilm supérieur à 200 m2 pour 1 m3 de volume.