Brevet FR3016623A1 — publié le 20150724

FR 3016623 1 DISPOSITIF DE TRAITEMENT D'EAUX USÉES La présente invention concerne un dispositif et un procédé de traitement d'eaux usées, en particulier un dispositif d'assainissement non collectif d'eaux usées. Ce dispositif comporte deux bassins successifs, le premier étant un bassin à écoulement vertical, le second étant un bassin à écoulement horizontal, les bassins dont est constitué ce dispositif comportant un choix de matériaux filtrants particulier, et ces bassins étant plantés par une sélection d'espèces végétales. Cette sélection d'espèces végétales combinée à l'agencement du bassin permet d'obtenir une efficacité particulièrement élevée dans le traitement des eaux usées, notamment dans le traitement des eaux domestiques. Les normes actuelles de rejet en vigueur pour le rejet d'eau traitée dans l'environnement sont les suivantes : Matières en suspension : 30mg/1 DB05 (demande biologique en oxygène durant 5 jours) : 35mg/1 La phytoremédiation ou phytoépuration est un procédé connu consistant à utiliser des végétaux pour extraire, stabiliser ou dégrader des substances présentes dans l'environnement et susceptibles d'être polluantes pour cet environnement. On connait de l'art antérieur des dispositifs permettant d'abaisser la pollution organique dans des eaux usées rejetées par des habitats non collectifs tels que des maisons individuelles, notamment des rejets provenant des fosses septiques. De tels dispositifs comprennent habituellement un filtre vertical drainé, planté de roseaux et alimenté par bâchées séquentielles. Un tel dispositif permet d'oxyder la matière organique et azotée contenue dans les eaux usées. Le dimensionnement préconisé pour le filtre vertical est compris entre 3 et 5 m2 par habitant. Cependant, l'abattement des bactéries pathogènes reste assez faible dans un tel dispositif. Par ailleurs, l'azote est quasi intégralement rejeté sous forme de nitrates. Dans certains de ces dispositifs, le bassin de filtration vertical est composé de deux casiers fonctionnant en alternance. Toutefois, pour le traitement d'effluents domestiques, cette configuration est peu appropriée car l'apport journalier d'effluents domestiques n'est pas suffisant pour permettre l'hydratation et la survie correcte des végétaux. Un autre dispositif connu est un filtre à écoulement horizontal planté de roseaux. Un tel filtre est usuellement dimensionné entre 5 et 10 m2 par habitant en climat tempéré et fonctionne au moins partiellement en anaérobiose, ce qui limite sa capacité de nitrification, ainsi que sa dégradation de la pollution organique. Le temps de séjour 35505 FR 3016623 2 des eaux usées étant assez élevé, ce type de dispositif présente une assez bonne efficacité d'abattement de la pollution bactérienne ou pathogène. On connait également des dispositifs d'assainissement comprenant deux filtres d'assainissement plantés de roseaux placés en série, le premier filtre fonctionnant à 5 écoulement vertical, le second à écoulement horizontal. L'eau s'écoule verticalement à travers le filtre amont, est drainée par un conduit vers le filtre aval et s'écoule horizontalement dans ce filtre aval. Les deux filtres sont formés de matériaux particulaires. Un tel dispositif d'assainissement, pour apporter une efficacité suffisante dans l'épuration des eaux traitées (pollution organique azotée et pollution bactérienne) 10 requiert l'occupation d'une surface au sol importante. Or les surfaces au sol disponibles pour l'implantation du dispositif sont généralement limitées, notamment dans des logements individuels. L'un des objectifs de l'invention est de résoudre ce problème, c'est-à-dire fournir une efficacité satisfaisante en termes d'épuration des eaux traitées, tout en 15 occupant une surface au sol réduite par comparaison avec les dispositifs de l'art antérieur. En outre, le dispositif et le procédé de l'invention présentent des coûts d'installation et de fonctionnement maîtrisés. Un tel résultat a été rendu possible par le choix de matériaux particuliers composant les filtres plantés et par une sélection d'espèces végétales. 20 Le dispositif et le procédé de traitement des effluents selon l'invention sont basés sur les techniques éprouvées de la phytoépuration, techniques écologiques d'assainissement. Elle repose sur des réactions se produisant dans les milieux naturels et permet un abattement de l'azote (N), du phosphore (P), des pathogènes, des matières en suspensions (MES), ainsi que des matières organiques comme la demande 25 chimique en oxygène (DCO) et la demande biologique en oxygène durant 5 jours (DBO5). Cette épuration est rendue possible grâce à l'action combinée de trois principaux processus naturels et complémentaires : o une rétention physico-chimique des polluants par le substrat, renforcée par le 30 système racinaire des plantes, o une biodégradation des polluants grâce à l'activité microbienne, cette activité étant elle-même stimulée par la présence des plantes, o une phyto-assimilation des polluants par les végétaux puis le stockage dans leur biomasse. 35 Par ailleurs, les interactions entre le substrat, les microorganismes et les végétaux, telles que rétention, bio-stimulation, phyto-stabilisation, phyto-volatilisation et phyto-extraction, ont des impacts non négligeables sur la performance de traitement. 35505 FR 3016623 3 De plus, les exsudats racinaires de certaines espèces végétales favorisent l'élimination des agents pathogènes. A cette fin, la présente invention propose un dispositif de traitement d'effluents comprenant au moins : 5 - un filtre planté à écoulement vertical comportant au moins un substrat, - un filtre planté à écoulement horizontal comportant au moins un substrat, - un moyen permettant la distribution des eaux usées dans le filtre à écoulement vertical, - un moyen de transfert d'effluents traités depuis le filtre à écoulement vertical 10 vers le filtre à écoulement horizontal, - un moyen de récupération des effluents traités depuis le filtre à écoulement horizontal, ce dispositif permettant un taux d'abattement : MES (matières en suspension) > 96 % 15 DBO5 (demande biologique en oxygène pendant 5 jours) > 96 % DCO (demande chimique en oxygène) > 90 % NTK (azote total Kjeldahl) > 60% Pt (phosphore total) > 35 % la surface du dispositif étant inférieure à 5m2/EH. 20 Les effluents concernés sont principalement des eaux usées domestiques. L'invention concerne plus particulièrement le traitement des eaux usées de nature domestique et assimilées constituées des eaux-vannes et des eaux ménagères d'un volume évalué en équivalent habitant (EH). Pour ce type d'effluents, les flux de pollution à traiter s'élèvent généralement à 25 250 à 450 g de DBO5 par jour, de préférence de 300 à 400 g de DBO5 par jour, habituellement aux environs de 360 g de DBO5 par jour. Le dimensionnement de la station de gestion des effluents selon l'invention, et notamment des filtres plantés de la station de filtration, dépend en particulier du volume journalier d'effluents. On considère comme unité de calcul l'équivalent 30 habitant (EH) et les équivalences volumiques présentées ci-dessus. Le protocole d'essais permettant de réaliser ces mesures est fixé par l'annexe 2 de l'arrêté du 7 mars 2012 modifiant l'arrêté du 7 septembre 2009 fixant les prescriptions techniques applicables aux installations d'assainissement non collectif recevant une charge brute de pollution organique inférieure ou égale à 1,2 kg/j de 35 DBO5, intitulé "Protocole d'essai des performances épuratoires sur plateforme d'essai". 35505 FR 3016623 4 La surface du dispositif est calculée de la façon suivante : elle est égale à la somme des surfaces du filtre à écoulement vertical et du filtre à écoulement horizontal. Avantageusement la surface totale du dispositif est inférieure ou égale à 5 4m2/EH, encore mieux inférieure ou égale à 3m2/EH. L'installation de gestion d'effluents selon l'invention inclut une unité ou station de filtration comprenant au moins deux filtres plantés distincts successifs : - un filtre végétal à écoulement vertical : plusieurs couches de substrats sont 10 superposées dans un bassin d'une surface donnée, chaque couche présentant une granulométrie inférieure à celle de la couche disposée immédiatement au-dessous d'elle, de telle sorte que le filtre présente verticalement de haut en bas une granulométrie croissante ; une collection d'espèces végétales, adaptées aux effluents domestiques et au climat d'implantation de la station, sont ensemencées et cultivées 15 en surface ; - un filtre végétal à écoulement horizontal constitué par une succession de substrats disposés dans un bassin d'une surface donnée, la succession s'entendant de l'amont vers l'aval du bassin dans le sens du flux de l'eau, chaque couche présentant une granulométrie inférieure à celle de la couche disposée immédiatement avant elle, 20 de telle sorte que le filtre présente horizontalement d'amont en aval une granulométrie décroissante, sur laquelle sont plantées et cultivées des espèces végétales adaptées aux effluents domestiques et au climat d'implantation. Les substrats sont composés par exemple de graviers, gravillons, sable, etc. L'invention a pour objet un dispositif de traitement d'effluents comprenant au 25 moins : - un filtre planté à écoulement vertical comportant au moins un substrat, - un filtre planté à écoulement horizontal comportant au moins un substrat, - un moyen permettant la distribution des eaux usées dans le filtre à écoulement vertical, 30 - un moyen de transfert d'effluents traités depuis le filtre à écoulement vertical vers le filtre à écoulement horizontal, - un moyen de récupération des effluents traités depuis le filtre à écoulement horizontal, o le substrat du filtre à écoulement vertical comportant une couche supérieure 35 d'une épaisseur de 35 à 50 cm de gravier de type pouzzolane de masse volumique allant de 0,65 à 1,3 T/m3, de porosité allant de 10 à 50 % en vol/vol, dont les pores ont un diamètre moyen allant de 0,6 pin à 60 pm. 35505 FR 3016623 5 o le substrat du filtre à écoulement horizontal comportant une couche intermédiaire de gravier de type pouzzolane d'une surface représentant 50 à 95% de la surface du filtre à écoulement horizontal. 5 Le dispositif de l'invention présente l'avantage de procurer une efficacité de traitement d'eaux usées satisfaisante tout en fonctionnant avec un seul casier par filtre, ce qui réduit la surface au sol occupée par rapport à certains dispositifs antérieurs. Avantageusement, le filtre à écoulement vertical ne comporte qu'un seul casier. 10 Selon un mode de réalisation préféré, le gravier de type pouzzolane mis en oeuvre dans la partie supérieure du filtre à écoulement vertical présente une granulométrie allant de 4 à 10 mm, une masse volumique de 0,7 à 1,1 T/m3, une porosité allant de 20 à 50 % en vol/vol, et des pores d'un diamètre moyen allant de 0,6 pm à 15 pm. 15 Selon un mode de réalisation préféré, le substrat du filtre à écoulement vertical comporte : - au moins une couche intermédiaire de matériau particulaire de granulométrie supérieure à celle du matériau pouzzolane de la couche supérieure et 20 - au moins une couche inférieure de matériau particulaire de granulométrie supérieure à celle du matériau de la couche intermédiaire. De préférence, dans le substrat du filtre à écoulement vertical : - la couche supérieure de matériau pouzzolane représente 40 à 80 % de la 25 hauteur hv du substrat, avantageusement de 50 à 70%, - la couche intermédiaire de matériau particulaire de granulométrie supérieure à celle du matériau pouzzolane représente 10 à 50 % de la hauteur hv du substrat, avantageusement de 15 à 35%, - la couche inférieure de matériau particulaire de granulométrie supérieure à 30 celle du matériau de la couche intermédiaire représente 10 à 50 % de la hauteur hv du substrat, de préférence 15 à 35 %. Selon un mode de réalisation préféré, le substrat du filtre à écoulement horizontal comporte au moins une première couche de matériau particulaire de granulométrie supérieure à celle du matériau pouzzolane de la couche intermédiaire et 35 au moins une troisième couche de matériau particulaire de granulométrie inférieure à celle du matériau de la couche intermédiaire. De préférence, dans le substrat du filtre à écoulement horizontal : 35505 FR 3016623 6 la couche amont de matériau particulaire représente 30 à 70 cm de long, de préférence 40 à 60 cm de long, encore mieux, environ 50 cm de long, la couche intermédiaire en matériau pouzzolane représente 55 à 90 % de la longueur LH du substrat, 5 la couche aval de matériau particulaire représente 5 à 25 % de la longueur LH du substrat. Selon un mode de réalisation préféré, dans le filtre horizontal, on utilise en partie aval du filtre des granulats de granulométrie comprise entre 4 et 8 mm. 10 Avantageusement, les granulats disposés en partie aval du filtre à écoulement horizontal occupent une distance représentant 15 à 25% de la longueur LH, pour un filtre d'une longueur LH inférieure ou égale à 15 m, et de 5 à 15 % de la longueur LH pour des filtres de longueur LH strictement supérieure à 15m. On prévoit que les granulats disposés en partie aval du filtre à écoulement horizontal occupent une 15 longueur maximale de 4m. Selon un mode de réalisation préféré, le filtre à écoulement vertical comporte en outre des moyens permettant la distribution d'oxygène, ces moyens étant logés dans la partie inférieure de ce filtre. 20 Selon un mode de réalisation préféré, le filtre à écoulement vertical est planté d'au moins deux espèces végétales de genre différent choisies parmi les familles suivantes, de préférence au moins trois espèces de genre différent choisies parmi les familles suivantes et de préférence au moins six espèces de genre différent choisies 25 parmi les familles suivantes: Cyperaceae, Poaceae, Iridaceae, Juncuceae, Typhaceae, Acoraceae. Selon un mode de réalisation préféré, le filtre à écoulement horizontal est planté d'au moins deux espèces de genre différent choisies parmi les familles suivantes et de 30 préférence au moins quatre espèces de genre différent choisies parmi les familles suivantes et de préférence au moins huit espèces de genre différent choisies parmi les familles suivantes : Cyperaceae, Lamiaceae, Plantaginaceae, Brassicaceae, Alismataceae, Butomaceae, Pontederiacea, Typhaceae, Ranunculaceae, Araceae, Lythraceae, Nelumbonaceae, Equisetaceae, Myrsinaceae, Marentaceae, 35 Menyanthaceae. 35505 FR 3016623 7 En fonction de la zone d'implantation (zone biogéographique) de la station de traitement, une étude préalable est réalisée afin de sélectionner des espèces végétales adaptées au climat. De préférence, les espèces végétales sélectionnées ne sont pas des espèces à 5 caractère invasif comme par exemple des roseaux et des bambous dans certains pays. Selon un mode de réalisation préféré la densité de plantation est supérieure ou égale à 4 pieds / m2, de préférence supérieure ou égale à 5 pieds / m2, encore plus préférentiellement supérieure ou égale à 6 pieds / m2. 10 Les dispositifs de l'invention permettent d'atteindre les objectifs fixés par les normes de rejet en vigueur actuellement, avec une surface occupée de 2m2/EH ou 3m2/EH (EH pour équivalent par habitant), tandis que les installations de l'art antérieur ont une efficacité équivalente avec une surface occupée de 5m2/EH ou plus. 15 Ainsi le dispositif et le procédé de l'invention sont plus économiques et plus efficaces que ceux de l'art antérieur. L'acheminement des effluents du premier bassin vers le second bassin, et d'autre part, des effluents issus du second bassin vers la zone de récupération et 20 d'évacuation, se fait de préférence grâce à la gravité en installant les filtres plantés sur un terrain en pente. Dans le cas où le terrain est plat ou présente une pente défavorable, cet acheminement peut être assuré au moyen de pompes. Selon un mode de mise en oeuvre, le dispositif selon l'invention comporte des moyens permettant d'ensemencer les effluents traités dans cette dernière, avec des 25 produits bactériens adaptés aux réactions requises pour la transformation des effluents domestiques. En outre, la station de filtration peut comprendre en sortie de filtre planté horizontal une zone en eau libre permettant de réaliser des analyses et d'assurer la diffusion de l'effluent. 30 Selon un premier mode de réalisation, l'invention concerne des dispositifs de traitement des effluents pour une capacité allant jusqu'à 10EH. Selon ce mode de réalisation, les dimensions totales des deux filtres sont de préférence de 2,2 à 4,5 m2/EH, avantageusement de 2,6 à 3,5 m2/EH, de préférence de 2,8 à 3,2 m2/EH. 35505 FR 3016623 8 Selon un second mode de réalisation, l'invention concerne des dispositifs de traitement des effluents pour une capacité supérieure à 10EH. Selon ce mode de réalisation, les dimensions totales des deux filtres sont de préférence de 0,6 à 3,5 m2/EH, avantageusement de 0,8 à 2,5 m2/EH, de préférence de 1 à 2 m2/EH. De préférence le filtre à écoulement vertical est de forme sensiblement carrée, c'est-à-dire que la largeur lv et la longueur Lv sont sensiblement égales à ±10% près. De préférence le filtre à écoulement horizontal est de forme rectangulaire, le rapport de la longueur LH sur la largeur 1H vérifant 1 REVENDICATIONS1. Dispositif de traitement d'effluents comprenant au moins : - un filtre planté (1) à écoulement vertical comportant au moins un substrat (1.1), - un filtre planté à écoulement horizontal (2) comportant au moins un substrat (1.2), - un moyen permettant la distribution des eaux usées dans le filtre à écoulement vertical, - un moyen de transfert d'effluents traités depuis le filtre à écoulement vertical vers le filtre à écoulement horizontal, - un moyen de récupération des effluents traités depuis le filtre à écoulement horizontal, ce dispositif permettant un taux d'abattement : MES (matières en suspension) > 96 % DBO5 (demande biologique en oxygène pendant 5 jours) > 96 % DCO (demande chimique en oxygène) > 90 % NTK (azote total Kjeldahl) > 60% Pt (phosphore total) > 35 % la surface du dispositif étant inférieure à 5m2/EH, de préférence inférieure ou égale à 3m2/EH. 2. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel : o le substrat (1.1) du filtre à écoulement vertical comporte une couche supérieure (1.3) d'une épaisseur de 35 à 50 cm de gravier de type pouzzolane de masse volumique allant de 0,65 à 1,3 T/m3, de porosité allant de 10 à 50 % en vol/vol, dont les pores ont un diamètre moyen allant de 0,6 lm à 60 iam, o le substrat (2.2) du filtre à écoulement horizontal comporte une couche intermédiaire (2.4) de gravier de type pouzzolane d'une surface représentant 50 à 95 % de la surface du filtre à écoulement horizontal. 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel le gravier de type pouzzolane mis en oeuvre dans la partie supérieure (1.3) du filtre (1) à écoulement vertical présente une granulométrie allant de 4 à 10 mm, une masse volumique de 0,7 à 1,1 T/m3, une porosité allant de 20 à 50 % en vol/vol, dont les pores ont un diamètre moyen allant de 0,6 i.tm à 15 1.1.m. 35505 FR 3016623 17 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le substrat (1.2) du filtre (1) à écoulement vertical comporte : 5 - au moins une couche intermédiaire (1.4) de matériau particulaire de granulométrie supérieure à celle du matériau pouzzolane de la couche supérieure (1.3) et - au moins une couche inférieure (1.5) de matériau particulaire de granulométrie supérieure à celle du matériau de la couche intermédiaire. 10 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le substrat (2.2) du filtre à écoulement horizontal comporte au moins une première couche (2.3) de matériau particulaire de granulométrie supérieure à celle du matériau pouzzolane de la couche intermédiaire (2.4) et au moins une troisième couche (2.5) de 15 matériau particulaire de granulométrie inférieure à celle du matériau de la couche intermédiaire. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le filtre (1) à écoulement vertical comporte en outre des moyens (5.3) permettant la 20 distribution d'oxygène, ces moyens étant logés dans la partie inférieure de ce filtre. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le filtre (1) à écoulement vertical est planté d'au moins deux espèces végétales (1.6) de genre différent choisies parmi les familles suivantes : Cyperaceae, Poaceae, 25 Iridaceae, Juncuceae, Typhaceae, Acoraceae 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le filtre (2) à écoulement horizontal est planté d'au moins deux espèces (2.6) de genre différent choisies parmi les familles suivantes : Cyperaceae, Lamiaceae, 30 Plantaginaceae, Brassicaceae, Alismataceae, Butomaceae, Pontederiacea, Typhaceae, Ranunculaceae, Araceae, Lythraceae, Nelumbonaceae, Equisetaceae, Myrsinaceae, Marentaceae, Menyanthaceae. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans 35 lequel la densité de plantation est supérieure ou égale à 4 pieds / m2. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le filtre à écoulement vertical ne comporte qu'un seul casier. 35505 FR 3016623 18 1 1 . Kit pour la fabrication d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, ce kit comprenant au moins : 5 - Un matériau étanche à l'eau permettant de délimiter les parois des filtres plantés, - Des tuyaux de collecte, d'évacuation et de raccordement, de préférence en PVC - Une collection de matériaux particulaires, comprenant au moins : un gravier de 10 type pouzzolane de masse volumique allant de 0,65 à 1,3 T/m3, de porosité allant de 10 à 50 % en vol/vol, dont les pores ont un diamètre moyen allant de 0,6 i.tm à 60 iam, - Une première collection de plantes, comprenant au moins deux espèces végétales de genre différent choisies parmi les familles suivantes : Cyperaceae, Poaceae, Iridaceae, Juncuceae, Typhaceae, Acoraceae, 15 - Une seconde collection de plantes, comprenant au moins deux espèces végétales de genre différent choisies parmi les familles suivantes : Cyperaceae, Lamiaceae, Plantaginaceae, Brassicaceae, Alismataceae, Butomaceae, Pontederiacea, Typhaceae, Ranunculaceae, Araceae, Lythraceae, Nelumbonaceae, Equisetaceae, Myrsinaceae, Marentaceae, Menyanthaceae. 20