Brevet FR3031516A1 — publié le 20160715

Dispositif de traitement des eaux usées, de type filtre planté à percolation verticale, comprenant un système d'aération actif d'une couche inférieure saturée. Le domaine de l'invention est celui de la conception et de la fabrication de systèmes de traitement des eaux usées. Plus précisément, l'invention concerne la conception d'un dispositif de traitement des eaux usées de type filtre planté à percolation verticale. Le traitement des eaux usées par filtres plantés connaît un très fort développement depuis ces vingt dernières années. Ce type de système d'épuration est appliqué principalement pour le traitement des effluents domestiques des petites collectivités. Il présente de nombreux avantages : - une bonne intégration paysagère ; - un entretien facile et peu coûteux ; - une faible production de boues ; - pas de consommation d'énergie ni de produits chimiques ; - des bonnes performances épuratoires ; - une bonne adaptation aux variations de charge. Les filtres plantés peuvent être à percolation verticale ou horizontale. Dans les filtres horizontaux, l'arrivée des effluents dans le massif s'effectue sur un des côtés, ils cheminent alors horizontalement dans le massif pour être récupérés à l'autre extrémité. Dans ce cas, le niveau d'eau dans le massif est maintenu à environ 5 à 10 cm de la surface et la majeure partie du filtre est alors en milieu saturé et anoxique. Dans ces filtres, l'alimentation est généralement continue et les apports d'oxygène sont fortement réduits. Les conditions sont alors favorables pour des réactions de dénitrification effectuées par des bactéries dénitrifiantes (conduisant à la réduction des nitrates en composés gazeux). Il est à noter que ces bactéries sont hétérotrophes et ont donc besoin de matière organique pour se développer. Les vitesses d'écoulement étant plus lentes et les temps de contact avec les bactéries plus élevés, ces filtres favorisent l'élimination de matière organique difficilement biodégradable. 3031516 2 Dans des filtres verticaux, les eaux usées sont envoyées en surface, percolent verticalement à travers le massif filtrant et sont récupérées dans le fond par un réseau de drainage. Ces filtres sont majoritairement maintenus en condition aérobie, grâce à des mécanismes d'aération « passive » : 5 - l'apport d'02 excrété par les racines des plantes ; - la convection, liée à l'effet piston du déplacement des lames d'eau apportées à chaque bâchée ; - la diffusion, à la fois depuis la surface et par le fond grâce au réseau de drains relié à des cheminées d'aération (elle permet le 10 renouvellement de la phase gazeuse des espaces inter- granulaires en milieu non saturé). Les principaux polluants éliminés sont les matières en suspension, les matières organiques ainsi que les composés azotés. Dans les filtres verticaux, les mécanismes épuratoires sont régis par des mécanismes 15 physiques (filtration, adsorption) et biologiques (dégradation microbienne aérobie, nitrification, assimilation végétale). A noter que dans ces filtres, le traitement de l'azote global est faible car il se limite à la nitrification par les bactéries nitrifiantes en conditions aérobies (conduisant à l'oxydation de l'azote ammoniacal en nitrites puis en nitrates). 20 Dans ces dispositifs, les rôles principaux des végétaux plantés en surface sont les suivants : - maintenir la perméabilité du massif filtrant grâce aux voies hydrauliques créées par leurs tiges, racines et rhizomes (prévention des phénomènes de colmatage) ; 25 - favoriser l'activité microbienne aérobie à proximité des racines et rhizomes qui servent de support de biofilm, notamment grâce à l'apport d'oxygène des végétaux ; - favoriser la déshydratation des matières solides retenues en surface le cas échéant, via l'évapotranspiration des roseaux. 30 En France, la filière la plus largement appliquée est constituée de deux étages (ou bassins) de filtres verticaux en série, avec une surface totale de filtres de 2 à 2,5 m2/EH (1,2 à 1,5 m2/EH au premier étage et 0,8 à 1 3031516 3 m2/EH au deuxième étage ; avec EH = Equivalent-Habitant, correspond à la pollution journalière générée par une personne, soit le plus souvent 60 gDBO5/j, 120 gDCO/j, 90 gMES/j, 15 gNTK/j et 2.4 gPT/j ). Une des particularités de cette filière est de ne pas comprendre de prétraitement 5 (excepté un dégrillage grossier) et d'envoyer les effluents bruts directement sur la surface du premier étage. Ainsi, les matières particulaires contenues dans les eaux usées sont retenues par des mécanismes de filtration en surface, où elles sont progressivement déshydratées et minéralisées. L'accumulation de boues est ainsi faible (environ 1,5 cm/an), ce qui entraîne 10 des fréquences de curage très espacées (une fois tous les 10 à 15 ans). De plus, la qualité des boues est compatible avec une revalorisation agricole sans traitement complémentaire. Il est maintenant connu que cette filière, constituée de deux filtres verticaux en série, permet d'obtenir des rendements épuratoires élevés pour 15 les effluents domestiques (> 90%) sur les polluants : matières en suspension (MES), matières organiques (DBO5 et DCO) et azote réduit (NTK). En revanche, les performances sont limitées ( 85%) sur 25 l'azote global (NGL), on a généralement au moins trois étages (bassins) avec une recirculation, entrainant une emprise foncière élevée (> 4 m2/EH). On retrouve également des solutions qui font appel à des filtres compacts à percolation verticale avec superpositions de plusieurs couches de matériaux et l'utilisation de matériau filtrant poreux, capable de favoriser 30 le développement de micro-organismes et permettant de réduire l'emprise foncière et de limiter les coûts d'exploitation. Néanmoins, ces filtres présentent des risques de colmatage de la couche supplémentaire de 3031516 4 granulométrie inférieure, notamment dans le cas d'effluents fortement chargés. De plus, les nitrifications sont souvent incomplètes et ces filtres présentent de faibles rendements sur l'azote global ( REVENDICATIONS1. Dispositif (1) de traitement des eaux usées de type filtre planté dans lequel la circulation des eaux usées est à écoulement vertical, le dispositif comprenant un bassin de purification (10) destiné à recevoir des eaux usées, le bassin comportant au moins deux couches superposées de matériaux filtrants : - une couche inférieure (100) saturée en eaux située dans le fond du bassin et comprenant des moyens de drainage ; - une couche supérieure (101) non saturée en eaux située au- dessus de la couche inférieure, la couche supérieure comportant des moyens d'aération passive, caractérisé en ce que le dispositif comprend un système d'aération actif (3) de la couche inférieure saturée. 2. Dispositif de traitement des eaux usées selon la revendication 1, caractérisé en ce que : - la couche inférieure présente une hauteur H1 ; - la couche supérieure présente une hauteur H2, le dispositif présentant un rapport R = H1 / H2 avec 0,2 R 1 et H2>_30 cm. 3. Dispositif de traitement des eaux usées selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'aération passive comportent un réseau de drains d'aération (4) situé au fond de la couche supérieure. 4. Dispositif de traitement des eaux usées selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le bassin de purification comporte des systèmes d'apport d'eaux usées (5) par bâchées. 3031516 16 5. Dispositif de traitement des eaux usées selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système d'aération actif (3) est situé dans le fond de la couche inférieure et est réparti essentiellement sur toute la surface couverte par la couche inférieure du bassin de purification, le système d'aération actif étant destiné à aérer de manière homogène la totalité de la couche inférieure. Dispositif de traitement des eaux usées selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système d'aération actif de la couche inférieure saturée est un système intermittent. Dispositif de traitement des eaux usées selon la revendication 6, caractérisé en ce que le système d'aération actif intermittent comporte un programmateur horaire. Dispositif de traitement des eaux usées selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte des capteurs destinés à déterminer des paramètres d'oxygène dissous et/ou de potentiel d'oxydo-réduction dans la couche inférieure, et en ce que le système d'aération actif intermittent comporte un interrupteur automatique couplé aux capteurs. Dispositif de traitement des eaux usées selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de bassins de purification montés en parallèle, les systèmes d'aération intermittents de la couche inférieure saturée de chaque bassin formant un réseau d'aération, et en ce que le réseau d'aération comporte des moyens d'alimentation en air en alternance des systèmes d'aération. 10. Dispositif de traitement des eaux usées selon les revendications 4 et 9, caractérisé en ce que les systèmes d'apport d'eaux usées de chaque 5 6. 10 7. 15 8. 20 9. 25 30 3031516 17 bassin forment un réseau d'apport d'eaux usées, le réseau d'apport d'eaux usées comportant des moyens d'alimentation en alternance des systèmes d'apport. 5