Brevet FR2963340A1 — publié le 20120203

Domaine technique et état de l'art L'invention concerne un procédé de traitement des eaux usées destiné prioritairement au traitement de petites ou moyennes quantités d'eau par jour, par exemple les eaux usées d'un village jusqu'à quelques centaines d'habitants. Pour le traitement d'une telle quantité d'eaux usées, il est connu d'utiliser des procédés extensifs dits "naturels" qui utilisent un filtre de type massif de granulats tels que du sable, des galets, etc. Lorsque les eaux usées sont versées sur le filtre, les éléments en suspension dans les eaux usées (pollution non dissoute) sont retenus en surface du filtre. Les bactéries épuratrices qui se développent dans les granulats oxydent ensuite les pollutions dissoutes dans les eaux usées et qui n'ont pas été retenues en surface du filtre. Les eaux usées ne sont pas déversées en continu sur les massifs filtrant, mais à des intervalles successifs. L'alternance entre des phases d'immersion du filtre sous une lame d'eau et des phases de respiration du filtre lorsqu'une lame d'eau est passée permet une oxygénation régulière de l'intérieur du filtre. Plusieurs filtres peuvent être associés en cascade. L'expérience montre également que faire croître des roseaux dans les massifs filtrants améliore les propriétés du filtre : les rhizomes des roseaux permettent de brasser les granulats en profondeur, et les tiges des roseaux sortant du massif filtrant garantissent la perméabilité dans le temps et son oxygénation. Selon des variantes de ces procédés, les eaux usées sont introduites par le dessus du massif filtrant (filtrage vertical) pour par un côté du filtre (filtrage horizontal). Au bout de quelques années, généralement 10 à 15 ans, lorsque le filtre est colmaté, le massif de granulats est enlevé puis un nouveau massif de granulats est installé. Un inconvénient de ces procédés est que les granulats occupent un volume important du filtre et réduisent d'autant le volume efficace du filtre, c'est-à-dire le volume utilisé pour la filtration. La taille des filtres étant limitée, le volume des eaux usées est limité également. Un autre inconvénient de ces procédés est le risque de colmatage des filtres si une trop grande quantité de matière organique est apportée par unité de volume d'eaux usées. Un autre inconvénient encore de ces procédés est le remplacement du massif de granulats. Les quantités de granulats sont importantes, enlever le massif demande donc des moyens conséquents. Par ailleurs, le massif de granulats est chargé de toutes les matières organiques retenues par le filtre pendant des années, le recyclage des éléments enlevés demande donc également des moyens conséquents pour séparer les matières organiques des granulats. Description de l'invention L'invention propose un nouveau dispositif de filtration d'eaux usées, ne présentant pas au moins un des inconvénients des filtres décrits ci-dessus. Plus précisément, l'invention propose un dispositif de filtration caractérisé en ce qu'il comprend un chenal longitudinal et des plantes émergées dont des racines s'étendent dans le volume immergé du chenal y constituant un milieu filtrant longitudinal, le dit volume filtrant étant défini par un niveau d'eaux usées dans le chenal et par des parois longitudinales du chenal, et en ce qu'au moins 90% du volume filtrant contient des eaux usées mais ne contient pas de granulats tel que du sable ou des galets. Dans une variante, le volume filtrant du chenal ne contient aucun granulat. Dans une autre variante, une couche de sable est positionnée au fond du canal, comme on le verra mieux par la suite, de sorte que seulement 5 ou 10% du volume filtrant contient de l'eau et des granulats, et donc 90 ou 95% du volume filtrant ne contient pas de granulats. 1 Ainsi, avec l'invention, le filtrage des eaux est réalisé par les racines des plantes, et non par des granulats. La plus grande partie du volume filtrant du dispositif de filtration selon l'invention ne contenant pas de granulats, mais uniquement des matières biologiques, des plantes notamment et des boues après quelques années de fonctionnement, le remplacement du dispositif de filtration est facilité et les matériaux retirés pourront être traités ensemble par compostage. Par ailleurs, par rapport à un filtre de type massif de granulats de même taille, le volume filtrant du filtre selon l'invention est augmenté du volume occupé par les granulats dans les filtres antérieurs, soit une augmentation du volume filtrant d'environ 60% puisque la porosité naturelle du sable est de l'ordre de 40%; une plus grande quantité d'eaux usées peut ainsi être traitée avec un filtre de même taille. De plus, dans un filtre selon l'invention, les plantes ne brassent pas le sable mais le remplacent, ce qui supprime le risque de colmatage du filtre car les racines qui sont vivantes constituent un milieu filtrant mouvant, et qui augmente l'efficacité du filtre en termes de volume de réacteur (c'est-à-dire le volume efficace du filtre) et de surface au sol. Enfin, les racines des plantes qui possèdent une capacité à fixer les matières qui sont utiles à la plante forment ensemble une sorte de manteau filtrant qui a en plus la capacité d'apporter de l'oxygène au coeur du filtre, ce qui permet le développement de bactéries épuratrices aérobies à leur surface. La filtration est ainsi mécanique par la grande surface développée par les racines (plusieurs centaines de m2 de surface par m3 de réacteur contre pas plus de 100 m2/m3 de granulats utilisés dans les filtres à granulats classique, elle est également biochimique par la capacité des racines et radicelles à fixer les matières minérales et organiques pour s'en nourrir, elle est également biologique par les bactéries aérobies qui peuvent se fixer sur la surface des racines et radicelles afin d'oxyder les matières organiques. Dans un dispositif de filtration selon l'invention, les racines des plantes installées dans le chenal sont de préférence des plantes formant un chevelu racinaire suffisamment important pour être apte à retenir les pollutions en suspension dans les eaux usées. L'efficacité mécanique du filtre est ainsi garantie. Le chenal a par exemple une hauteur de l'ordre de 20 à 80 cm, ce qui permet d'obtenir un volume filtrant avec un chenal d'une longueur de l'ordre de 100 à 200 m pour traiter les eaux usées d'une centaine de personnes. Les parties des plantes autres que les racines sont de préférence émergées au dessus du niveau d'eau dans le chenal. Ainsi, les plantes peuvent se développer aisément. Cette partie émergée n'a pas besoin d'être réensemencée chaque année car les plantes initiales sont vivaces et particulièrement adaptées à ce type de milieu très humide. Par ailleurs si une plante vivace meurt, elle sera remplacée par une colonisation naturelle locale. On prévoit de préférence des moyens pour maintenir les parties non racinaires (c'est-à-dire les parties aériennes) des plantes au dessus du niveau d'eau dans le chenal. Pour cela, dans une variante, le chenal peut être couvert par un plafond biodégradable apte à supporter les parties émergées des plantes et à laisser passer les racines des plantes vers le bas du chenal. Le plafond peut comprendre par exemple une structure porteuse aérée, de préférence de faible épaisseur, par exemple une couche de matériau aéré tel que des branches ou un caillebotis, et une couche d'un matériau support de culture (terre, sable, paille, etc.) permettant l'installation des plantes. La couverture du chenal permet également de limiter les odeurs produites par le filtre. Dans une autre variante, des éléments support de plantes peuvent être positionnés dans le chenal à des intervalles prédéfinis. Les éléments support comprennent par exemple une plaque ou un godet, positionné sur un piquet destiné à être installé au fond du chenal de sorte que la plaque ou le godet affleure à la surface de l'eau dans le chenal. En complément, un drain peut être prévu au fond du chenal pour permettre en fin de cycle la vidange et le curage du chenal après élimination de l'eau, il peut aussi apporter un filtrage supplémentaire. Le chenal peut comprendre également des chicanes implantées à des endroits prédéfinis pour optimiser la circulation des eaux usées dans le volume filtrant. Le dispositif de filtration peut encore comprendre un moyen de recyclage, pour récupérer les eaux à une sortie du chenal et de les ramener à une entrée du chenal. Un tel moyen de recyclage est une solution pour prolonger artificiellement la longueur du canal et ainsi augmenter son efficacité de filtration : deux écoulements des eaux dans un chenal de longueur L sont sensiblement équivalents en termes d'efficacité de filtration à un écoulement des eaux dans un chenal de longueur deux fois L. Un tel moyen de recyclage permet également de maintenir dans le chenal, en cas de baisse de la quantité d'eaux usées à traiter, un flux d'eau suffisant pour ne pas endommager les plantes et leurs racines filtrantes. Brève description des figures L'invention sera mieux comprise, et d'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description qui suit d'exemples de dispositifs de filtration selon l'invention. Cet exemple est donné à titre non limitatif. La description est à lire en relation avec les dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une vue en coupe transversale d'un premier mode de réalisation d'un filtre (coupe A-A), et la figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'un deuxième mode de réalisation d'un filtre (coupe B-B). Description d'un mode de réalisation de l'invention Les éléments essentiels et suffisants d'un filtre selon l'invention sont un chenal 1 et des plantes 2. Aucun granulat n'est indispensable pour la mise en oeuvre de l'invention. Le chenal peut être creusé directement dans la terre, dans ce cas les pentes du chenal seront colonisées naturellement de plantes indigènes aimant les milieux humides et si les plantes initialement mis en oeuvre meurent, elles seront remplacées par une colonisation naturelle au moyen des graines dispersées à chaque saison par les plantes indigènes. Un fossé creusé pour la réception des eaux de pluie pourrait également être utilisé, du moins si les eaux de pluie habituelles ne sont pas susceptibles de détruire le chenal par lessivage. Pour éviter les infiltrations d'eaux usées dans les parois du chenal, les parois peuvent être recouvertes d'un matériau non poreux tel qu'un béton par exemple ou mieux un matériau biodégradable tel que l'argile. Le chenal peut aussi être réalisé par une goulotte, par exemple métallique, enterrée ou non. Le niveau d'eau à l'intérieur du chenal a une hauteur d'environ 20 à 80 cm, ce qui permet d'avoir un volume filtrant important avec un chenal de longueur limitée. La section du chenal est par exemple trapézoïdale (fig. 1), plus généralement, elle peut avoir toute forme appropriée pour permettre la circulation des eaux à l'intérieur du chenal. Le chenal peut être légèrement en pente pour faciliter l'écoulement des eaux dans le chenal. Les plantes sont installées dans le chenal de sorte que leurs racines 3 baignent largement dans les eaux usées traversant le chenal de part en part. Les racines des plantes se développent dans le chenal, et filtrent les polluants en suspension dans les eaux usées. Les racines apportent également de l'oxygène au coeur du chenal, ce qui favorise le développement de bactéries aérobies épuratrices. Les plantes utilisées sont de préférence des plantes aptes à développer un réseau important de cheveux racinaires et aimant les milieux humides. Dans l'exemple de la figure 1, le chenal est couvert par un plafond biodégradable comprenant une structure porteuse 4 telle que des branches ou un caillebotis, et une couche d'un matériau de culture 5 tel que de la terre ou de la paille permettant l'installation des plantes, qui développent ensuite leurs racines sous le plafond. Dans l'exemple de la figure 2, des éléments support 6 de plantes sont positionnés dans le chenal à des intervalles prédéfinis. Les éléments support 6 comprennent ici chacun un godet, positionné sur un piquet destiné à être installé au fond du chenal de sorte que le godet affleure à la surface de l'eau dans le chenal. Les plantes sont installées dans les godets et développent leurs racines dans le chenal. Le dispositif de la figure 2 est amélioré par l'ajout d'un drain au fond du chenal. Le drain est constitué d'un tuyau perforé 8 et il est enterré dans des granulats tels que du sable 8. Le drain permet d'éliminer les eaux avant l'opération de curage finale et peut apporter un filtrage supplémentaire. Les racines des plantes peuvent pénétrer dans le sable recouvrant le drain de sorte à maintenir la capacité de percolation du sable, c'est-à-dire la capacité du sable à écouler les eaux. Le drain et le sable qui l'entourent occupent seulement une petite partie, par exemple de l'ordre de 5 à 10%, du volume filtrant du chenal. Le dispositif de la figure 2 est fermé en aval par une paroi aval 10, et un déversoir 11 est prévu au sommet de la paroi aval. Un premier moyen de recyclage 12 permet de récupérer les eaux s'écoulant du déversoir et de les ramener à l'entrée du chenal. Un deuxième moyen de recyclage 13 permet de récupérer les eaux s'écoulant du drain et de les ramener à l'entrée du chenal ou les évacuer. Il est possible d'ajouter une sortie supplémentaire aux figures de la présente demande. 4 REVENDICATIONS1. Dispositif de filtration d'eaux usées, caractérisé en ce qu'il comprend un chenal longitudinal dont les racines s'étendent dans un volume filtrant du chenal, le dit volume filtrant étant défini par un niveau d'eaux usées dans le chenal et par des parois longitudinales du chenal, et en ce que au moins 90% du volume filtrant contient des eaux usées mais ne contient pas de granulats tel que du sable. 2. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel les racines des plantes forment un chevelu racinaire apte à retenir les pollutions en suspension dans les eaux usées. 3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le chenal a une hauteur de l'ordre de 20 à 80 cm. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel des parties des plantes autres que les racines sont émergées au dessus d'un niveau d'eau dans le chenal. 5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel le chenal est couvert par un plafond biodégradable apte à supporter les parties émergées des plantes et à laisser passer les racines des plantes vers le bas du chenal. 6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel le plafond comprend une structure porteuse aérée telle qu'une 15 couche de matériau aéré, par exemple des branches ou un caillebotis, et une couche d'un matériau support permettant l'installation des plantes. 7. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel des éléments support de plantes sont positionnés dans le chenal à des intervalles prédéfinis. 8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel les éléments support comprennent une plaque ou un godet, 20 positionné sur un piquet destiné à être installé au fond du chenal de sorte que la plaque ou le godet affleure à la surface de l'eau dans le chenal. 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, comprenant également un drain au fond du chenal. 10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le chenal comprend également des chicanes implantées à des endroits prédéfinis pour optimiser une utilisation du volume total du chenal par les eaux usées. 25 11. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, comprenant également un moyen pour réinjecter les eaux extraites du chenal à une entrée du chenal.