Brevet FR2913419A1 — publié le 20080912

L'invention est relative à un procédé biologique pour le traitement des eaux dans lequel les matières organiques sont dégradées par l'activité de bactéries. L'invention concernera également un épurateur lagunaire 5 convenant pour la mise en oeuvre de ce procédé. Le milieu naturel aquatique, rivière, étang et autres étendues d'eau ont des capacités d'épuration qui leur sont propres. Cette faculté repose notamment sur le principe des phénomènes d'auto-épuration inhérents au plan d'eau peu profond. Cependant, cette épuration naturelle 10 nécessite une consommation d'oxygène suffisante afin de dégrader les matières biodégradables dans l'eau. Un milieu aquatique, trop chargé en pollution organique, voit ainsi sa concentration en oxygène diminuer, favorisant, à terme, le développement d'algues et l'asphyxie des espèces poissonneuses. 15 Le traitement des eaux usées est ainsi indispensable pour la préservation du milieu naturel. Les eaux usées, issues des agglomérations, industries ou autres activités polluantes, sont ainsi collectées par le réseau d'assainissement pour être acheminées vers des stations dites d'épuration. Le traitement des eaux usées consiste alors à diminuer les concentrations 20 des polluants dans l'eau à un degré acceptable afin que les eaux rejetées ne dégradent pas le milieu naturel. Aujourd'hui, dans les stations d'épuration, le traitement des eaux usées consiste en une succession d'étapes, regroupées sous trois niveaux : 25 - des prétraitements, procédés essentiellement mécaniques, tels que le dégrillage, le broyage, le désablage, et le dégraissage/déshuilage, - des traitements primaires, destinés à éliminer par décantation les matières en suspension, 30 - des traitements secondaires pour l'élimination des matières solubles et/ou colloïdales. 2 Le procédé biologique et l'épurateur lagunaire conformes à l'invention font partie de ce troisième niveau de traitement, à savoir celui des traitements secondaires, qui, pour la plupart d'entre eux, reposent sur des traitements biologiques dans lesquels les matières organiques sont dégradées par la présence de bactéries. Ces traitements biologiques sont de deux types, soit de type extensif reposant sur les phénomènes naturels d'auto-épuration des plans d'eau peu profonds, soit de type intensif, c'est-à-dire faisant appel à une culture bactérienne. Aujourd'hui, les traitements biologiques extensifs, dits naturels, se présentent sous la forme de systèmes lagunaires. Le lagunage est un traitement sensiblement surfacique, et non volumique, l'élimination des matières organiques présentes dans l'eau ayant lieu au niveau de l'interface liquide / fond de lagune, par l'intermédiaire des bactéries concentrées dans les boues décantées. Les eaux de lagune sont en effet peu chargées en bactéries. L'oxygène nécessaire aux bactéries pour l'élimination des matières organiques est apporté par les échanges gazeux avec l'atmosphère au niveau du plan d'eau ainsi que par l'action de la photosynthèse des micro-algues. On connaît aussi notamment du document BE 1.007.470, un traitement biologique extensif amélioré pour lequel les eaux de lagune sont de plus aérées et mises en circulatiion. Les traitements biologiques intensifs, rassemblent, quant à eux, diverses techniques dont le point commun est l'utilisation d'une culture bactérienne. Cette culture bactérienne peut être fixée sur des supports, par exemple de type granulaire, ou encore être libre dans les eaux à traiter, par exemple dans un traitement dit à boues activées . Dans une installation à boues activées, la culture bactérienne est maintenue dans un bassin aéré et brassé par un même système d'aération. Le traitement biologique est volumique, contrairement au lagunage, les bactéries étant présentes dans l'eau à concentration élevée. Après un temps de séjour, les eaux sont ensuite acheminées vers un clarificateur, encore appelé décanteur secondaire, et dont l'objet est de séparer les eaux des boues concentrées en bactéries. Une partie de ces boues est ensuite réacheminée vers le bassin, l'autre partie, surabondante, étant évacuée, servant notamment pour l'épandage. Depuis peu, on connaît également des installations à boues activées utilisant des procédés membranaires. Concrètement, les membranes sont immergées dans le bassin aéré et brassé. Le clarificateur n'est plus nécessaire et est donc supprirné. La finesse des filtrations de ces membranes permet de filtrer les eaux en retenant les bactéries qui ne peuvent franchir les membranes. On connaît notamment du document WO 03/053552 un dispositif à membranes capillaires utilisables dans un bassin à boues activées dans lequel ces membranes sont placées sur le trajet du flux de gaz ascendant du système d'aération et de brassage afin de limiter leur colmatage. Cependant, en raison des fortes concentrations des bactéries dans l'eau, ces membranes se colmatent assez rapidement nécessitant une maintenance fréquente et un coût de fonctionnement élevé de l'installation. Le but de la présente invention est de proposer un procédé biologique de traitement des eaux usées, assurant un assainissement des eaux de haute qualité tout en permettant d'être plus performant en énergie et sur le plan de la maintenance que Ires procédés antérieurs. L'invention concernera également un épurateur lagunaire 25 permettant la mise en oeuvre de ce procédé. D'autres buts et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, qui n'est donnée qu'à titre indicatif, et qui n'a pas pour but de la limiter. L'invention concerne un procédé biologique pour le traitement 30 des eaux usées dans lequel Ires matières organiques sont dégradées par l'activité de bactéries. 4 Selon l'invention, le procédé consiste, pour des eaux faiblement chargées en pollution, en une étape de traitement biologique extensif, reposant sur le principe des phénomènes naturels d'auto-épuration inhérents aux plans d'eau peu profonds, mis en oeuvre dans un épurateur lagunaire comprenant au moins une lagune sur le fond de laquelle repose des boues concentrées en bactéries, et de laquelle on prélève de l'eau et on la filtre dans un puits débouchant au-dessus du lit de boues, au travers de membranes immergées, notamment capillaires ou plates. Selon un mode de réalisation particulier du procédé prévu pour le traitement d'eaux fortement chargées en pollution, le procédé présentera au moins une étape préalable de traitement biologique des eaux usées, destinée à diminuer la concentration des pollutions dans l'eau, dans laquelle les matières organiques sont dégradées par l'activité de bactéries présentes dans l'eau, l'étape préalable de traitement se présentant sous la forme soit d'un traitement biologique extensif, reposant sur le principe des phénomènes naturels d'auto-épuration inhérents aux plans d'eau peu profonds, soit d'un traitement biologique intensif, ayant recours à une culture bactérienne. L'invention concernera également un épurateur lagunaire, dont le principe d'assainissement repose sur les phénomènes naturels d'auto-épuration inhérents aux plans d'eau peu profonds, comprenant au moins une lagune sur le fond de laquelle reposent des boues concentrées en bactéries. Selon l'invention, l'épurateur lagunaire présente un puits, débouchant au-dessus du lit de boues, à l'intérieur duquel un faisceau de membranes est immergé, lesdites membranes, notamment capillaires ou plates étant ouvertes sur une zone de captage du perméat. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante accompagnée des dessins en annexe parmi lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un 30 épurateur lagunaire convenant pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention, - les figures 2 et 3 sont respectivement des vues de coupe selon deux exemples de réalisation d'un puits prévu sous le fond de lagune d'un épurateur lagunaire conforme à l'invention. L'invention repose sur l'idée d'un traitement de finition biologique extensif, plutôt qu'intensif, utilisant des membranes aux droits desquels existe une faible concentration en micro-organismes afin d'être plus performant sur le plan de l'énergie et de la maintenance. L'invention concerne un procédé biologique pour le traitement des eaux usées, notamment fortement chargées en pollution, présentant au moins une première étape de traitement biologique dans laquelle les matières organiques sont dégradées par l'activité de bactéries. La première étape de traitement biologique, étape préalable de traitement, se présente sous la forme soit d'un traitement biologique extensif, reposant sur le principe des phénomènes naturels d'auto-épuration inhérents aux plans d'eau peu profonds, soit d'un traitement biologique intensif, ayant recours à une culture bactérienne. Le premier traitement biologique peut être extensif, de type lagunaire, constitué par un ou plusieurs bassins en série. Alternativement, le premier traitement biologique peut être intensif, faisant appel à des cultures bactériennes, être notamment constitué par: - une installation à culture fixée, où la culture bactérienne repose sur un support tel que cailloux, milieux granulaires ou autres, - une installation à culture libre, notamment du type à 25 boues activées . L'installation à boues activées peut être constituée par un bassin aéré et brassé suivie d'un clarificateur. Selon l'invention, le procédé biologique présente, en outre, une étape de traitement extensif de finition, reposant sur le principe des 30 phénomènes naturels d'auto-épuration inhérents aux plans d'eau peu profonds, mis en oeuvre dans un épurateur lagunaire 1 comprenant au moins une lagune 2. Sur le fond 3 de la lagune reposent des boues concentrées en bactéries. On prélève de la lagune de l'eau faiblement chargée en pollution, et on la filtre dans un puits 7 débouchant au-dessus du lit de boues au travers de membranes 4 immergées, notamment capillaires ou plates. La première étape de traitement biologique intensif ou extensif, permet de décharger les eaux d'une partie des polluants organiques, solubles ou colloïdaux. Les eaux ainsi traitées sont ensuite acheminées jusqu'à l'épurateur lagunaire dudit traitement de finition conforme à l'invention où elles subissent un dernier traitement biologique, extensif, ainsi qu'une filtration par l'intermédiaire des membranes capillaires. Avantageusement, l'eau traitée dans l'épuration lagunaire du traitement de finition est ainsi faiblement chargée en matières en suspension et en polluants solubles organiques, assurant ainsi un faible colmatage des membranes pendant la filtration. On entend par eaux faiblement chargées en pollution, par exemple, une demande biochimique en oxygène à cinq jours (DBO) inférieure à 250 mg/l. Aussi, selon un mode particulier de réalisation, notamment pour la production d'eau potable, dans le cas d'eaux usées initialement faiblement chargées en pollution (DBO 7 - le fait que l'on soumette les membranes 4 à un flux de gaz ascendant afin de limiter leur colrnatage. Avantageusement, selon un mode de réalisation particulièrement avantageux de l'étape de traitement, on aère les eaux dans l'épurateur lagunaire 1 par l'Intermédiaire d'un dispositif 5 d'injection d'air prévu dans le puits 7 et dont le flux de gaz ascendant généré combine, outre la fonction d'oxygénation des eaux, une fonction pour la mise en circulation des eaux dans la lagune 2 et une fonction pour le décolmatage des membranes capillaires 4. Mise à part le. remplacement des membranes 4, la maintenance de l'épurateur lagunaire 1 conforme à l'invention se limitera à retirer les boues surabondantes reposant sur le fond de la lagune 2. Ces boues pourront notamment être utilisées, après traitement, en vue de leur épandage agricole. L'invention concernera également un épurateur lagunaire 1, convenant notamment pour la mise en oeuvre du procédé biologique conforme à l'invention, dont le principe d'assainissement repose sur les phénomènes naturels d'auto-épuration inhérents aux plans d'eau peu profonds comprenant au moins une lagune 2 sur le fond 3 de laquelle reposent des boues concentrées en bactéries. Selon l'invention, l'épurateur lagunaire 1 présente un puits 7, débouchant au-dessus du lit de boues, à l'intérieur duquel un faisceau de membranes capillaires 4 est immergé. Lesdites membranes 4 sont ouvertes sur une zone 6 de captage du perméat. Les membranes 4 peuvent être, par exemple, capillaires ou plates. Elles sont commercialisées par divers spécialistes tels que ZENON, KUBOTA, ou encore MITSUBISHI. Le puits 7 débouche au-dessus du lit de boues dans le volume d'eau de la lagune 2 : selon un exemple de réalisation, la surface du plan d'eau est à 1 m 20 du fond de lagune, le puits 7 débouchant à 0,5 m dudit fond. Les boues surabondantes doivent être retirées avant qu'elles 8 n'atteignent le niveau de l'embouchure du puits 7, notamment afin d'éviter leur chute. Avantageusement, tel qu'illustré selon l'exemple de la figure 1, l'épurateur lagunaire 1 forme un circuit fermé pour un courant de fluide 20. Une partie dudit courant de fluide au moins passe par le puits 7. A cet effet, le puits 7 est pourvu d'un conduit d'alimentation 9 communiquant, d'une part, avec la lagune, au niveau d'une ouverture 10 de prélèvement de liquide, et d'autre part, avec le puits 7 au niveau de son extrémité inférieure 11. Telle qu'illustrée, l'ouverture 10 de prélèvement de liquide est située au-dessus du lit de boues, dans le volume d'eau de la lagune 2, notamment à un niveau comparable à celui de l'embouchure du puits 7, afin d'éviter la chute des boues dans le conduit 9. Avantageusement, selon l'exemple illustré, le puits 7 intègre, outre le faisceau 8 de membranes 4, un dispositif 5 d'injection d'air, notamment prévu sur la partie basse du puits. Avantageusement, lesdites membranes sont positionnées sur le trajet du flux de gaz ascendant généré par le dispositif 5 d'injection d'air. Le dispositif 5 d'injection d'air assure l'oxygénation des eaux, la mise en circulation des eaux, ainsi que le décolmatage des membranes. Selon les exemples illustrés, les membranes capillaires se présentent chacune sous la forme d'une tubulure, présentant une extrémité libre fermée, notamment supérieure, et une extrémité basse assujettie à l'aplomb et au-dessus du dispositif 5 d'injection d'air, ouverte sur la zone de captage du perméat 6. En outre, la lagune 2 peut présenter une cloison 12 positionnée entre ladite ouverture de prélèvement 10 dudit conduit d'alimentation et ledit puits 7. Cette cloison pourra être prévue pour forcer le courant de fluide à passer au-travers dudit conduit d'alimentation 9 du puits 7. L'extrémité supérieure du puits 7 peut être pourvue d'un déflecteur 13, prévu pour dévier le courant de fluide ascendant généré dans le puits 7 en un courant de fluide 20 de direction sensiblement horizontale dans ladite lagune 2. Naturellement, d'autres modes de réalisation ou de mise en oeuvre auraient pu être envisagés sans pour autant sortir du cadre de l'invention définie par les revendications ci-après. REVENDICATIONS 1. Procédé biologique pour le traitement des eaux usées dans lequel les matières organiques sont dégradées par l'activité de bactéries caractérisé en ce que le procédé consiste, pour des eaux usées faiblement chargées en pollution, en une étape de traitement biologique extensif, reposant sur le principe des phénomènes naturels d'auto-épuration inhérents aux plans d'eau peu profonds, mils en oeuvre dans un épurateur lagunaire (1) comprenant au moins une lagune (2) sur le fond (3) de laquelle repose des boues concentrées en bactéries, et de laquelle on prélève de l'eau et on la filtre dans un puits (7) débouchant au-dessus du lit de boues, au travers de membranes (4) immergées, notamment capillaires ou plates. 2. Procédé biologique selon la revendication 1, destiné notamment pour des eaux usées fortement chargées en pollution, présentant au moins une étape préalable de traitement biologique des eaux usées, destinée à diminuer la concentration des pollutions dans l'eau, dans laquelle les matières organiques sont dégradées par l'activité de bactéries présentes dans l'eau, l'étape préalable de traitement biologique se présentant sous la forme soit d'un traitement biologique extensif, reposant sur le principe des phénomènes naturels d'auto-épuration inhérents aux plans d'eau peu profonds, soit d'un traitement biologique intensif, ayant recours à une culture bactérienne. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel on aère les eaux dans l'épurateur lagunaire (1) par injection d'un flux d'air. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel on met en circulation les eaux dudit épurateur lagunaire (1). 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel on soumet les membranes (4) à un flux de gaz ascendant afin de limiter leur colmatage. 6. Procédé selon les revendications 3, 4 et 5, dans lequel on aère les eaux dans l'épurateur lagunaire (1) par l'intermédiaire d'un dispositif 11 (5) d'injection d'air prévu dans le puits (7) et dont le flux de gaz ascendant généré combine, outre la fonction d'oxygénation des eaux, une fonction pour la mise en circulation des eaux dans la lagune (2) et une fonction pour le décolmatage des membranes capillaires (4). 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel, à échéance(s), on retire les boues surabondantes reposant sur le fond (3) de la lagune (2) dudit épurateur lagunaire (1). 8. Épurateur lagunaire (1) dont le principe d'assainissement repose sur les phénomènes naturels d'auto-épuration inhérents aux plans d'eau peu profonds comprenant au moins une lagune (2) sur le fond (3) de laquelle reposent des boues concentrées en bactéries caractérisé en ce que l'épurateur lagunaire (1) présente un puits (7) débouchant au dessus du lit de boues, à l'intérieur duquel un faisceau de membranes (4) est immergé, lesdites membranes (4), notamment capillaires ou plates, étant ouvertes sur une zone (6) de captage du perméat. 9. Épurateur lagunaire (1) selon la revendication 8, formant un circuit fermé pour un courant de fluide (20), une partie dudit courant de fluide au moins passant par le puits (7), ledit puits (7) étant pourvu d'un conduit d'alimentation (9) communiquant, d'une part, avec la lagune (2), au niveau d'une ouverture (10) de prélèvement de liquide, et d'autre part, avec le puits (7) au niveau de son extrémité inférieure (11), ledit puits (7) intégrant, outre le faisceau de membranes (4), un dispositif (5) d'injection d'air, lesdites membranes (4) étant positionnées sur le trajet du flux de gaz ascendant généré par ledit dispositif (5) d'injection d'air. 10. Épurateur lagunaire (1) selon la revendication 9, dans lequel la lagune (2) présente une cloison (12) positionnée entre ladite ouverture de prélèvement (10) dudit conduit d'alimentation (9) et ledit puits (7), ladite cloison (12) étant prévue pour forcer le courant de fluide à passer au travers dudit conduit d'alimentation (9) du puits (7). 11. Épurateur lagunaire (1) selon la revendication 9 ou 10,dans lequel l'extrémité supérieure du puits (7) est pourvue d'un déflecteur (13) prévu pour dévier le courant de fluide ascendant généré dans ledit puits (7) en un courant de fluide (20) de direction sensiblement horizontal dans ladite lagune (2).5