Brevet FR3057262A1 — publié le 20180413

Dispositif de filtration et de traitement des eaux usées La présente invention se situe dans le domaine du traitement des eaux usées domestiques ou assimilées. Elle concerne plus particulièrement un dispositif de filtration et de traitement des eaux usées, comportant un support minéral. Il s'agit d'un dispositif de filtration, dans lequel une biomasse épuratrice principalement aérobie est fixée sur un matériau solide à la surface duquel percole l'eau à traiter. Les biofiltres destinés au traitement des eaux usées existent, utilisant par exemple des matériaux exotiques du type chips de coco ou similaires. L'emploi de ce type de matériau a pour conséquence une forte empreinte environnementale, de par la dégradation des environnements exploités et la pollution due au transport. D'autres biofiltres utilisent des matériaux d'origine plus rapprochée, comme par exemple l'écorce de pin. L'inconvénient de ce type de matériau est que son origine géographique est précise, et donc les ressources limitées et chères. La présente invention a pour objet de pallier au moins en partie à ces inconvénients. A cet effet, elle propose un dispositif de filtration des eaux usées comportant un matériau filtrant sous forme de granulés, caractérisé en ce que le matériau filtrant comporte des granulés poreux en hydrate de silicate de calcium autoclave, dont la matière sèche a une teneur massique en dioxyde de silicium supérieure à sa teneur massique en oxyde de calcium. Grâce à ces dispositions, le matériau filtrant a une bonne capacité de filtration, et une bonne tenue dans le temps. Il est également peu cher et peu polluant dans sa production, son utilisation et sa fin de vie. Selon d'autres caractéristiques : - la matière sèche des granulés poreux peut avoir une teneur massique en dioxyde de silicium supérieure à 50%, ce qui permet d'obtenir une performance particulièrement intéressante, - la matière sèche des granulés poreux peut avoir une densité comprise entre 200 et 400 kg/m3, ce qui assure une bonne tenue dans le temps et des bonnes capacités de filtration, 3057262 2 - les granulés poreux peuvent avoir une granulométrie inférieure à 8 mm, permettant une filtration efficace, et une surface exposée aux eaux à filtrer suffisante, - le dispositif de filtration peut comporter une cuve fermée par un couvercle 5 et un dispositif d'aération, permettant d'enterrer le dispositif et d'empêcher la propagation de mauvaises odeurs, tout en aérant le dispositif de filtration. La présente invention concerne aussi un procédé de filtration des eaux usées à l'aide d'un dispositif selon l'invention, et dans lequel des bactéries et des 10 protozoaires se développent à la surface et dans le matériau filtrant lors de la filtration d'eaux usées, et participent à la dégradation des pollutions à traiter. Grâces à ces dispositions, la filtration est faite par un procédé naturel très efficace, et produit peu de pollution. Selon d'autre caractéristiques : 15 - les eaux en sortie du dispositif de filtration peuvent être utilisées dans un système d'irrigation, permettant une revalorisation peu coûteuse et immédiate des produits de la filtration. La présente invention concerne enfin une utilisation d'un dispositif selon l'invention, comme lieu de plantation de plantes, le massif filtrant étant utilisé 20 comme apport d'aération et/ou régulateur d'humidité pour lesdites plantes. Grâces à ces dispositions, le dispositif de filtration en fin de vie peut être revalorisé d'une façon peu coûteuse, et sans qu'il soit nécessaire de le déplacer. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui fait suite, en référence aux figures annexées dans lesquelles : 25 - La figure 1 est une vue schématique d'un dispositif selon l'invention. Le dispositif de filtration selon l'invention est intégré dans une filière de traitement des eaux usées. Tout au long de la description qui suit, le terme « eau » est utilisé pour désigner les eaux usées aussi bien en amont de la filière de traitement, que durant et en aval de la filtration. Avant d'arriver au dispositif de 30 filtration, l'eau est prétraitée par une fosse septique, un décanteur digesteur ou tout autre équipement de prétraitement, afin de la débarrasser des matières solides. 3057262 3 L'eau arrive ensuite dans le dispositif de filtration, où elle est répartie de la façon la plus uniforme possible en surface d'un massif filtrant 1 constitué d'un matériau filtrant 2 disposé en vrac, semi-ordonné ou ordonné. Le dispositif de filtration comporte une arrivée des eaux prétraitées 3 reliée à un 5 système d'alimentation 4, qui peut être un système gravitaire d'alimentation ou un système d'alimentation par bâchées. L'alimentation par bâchées peut se faire par des moyens connus de l'homme du métier telle qu'une chasse (basculeur, à flotteur, pendulaire, à flexible ou autre), ou un poste d'injection. Le système d'alimentation peut aussi être effectuée par une pompe, ce qui 10 permet de disposer le dispositif de filtration à l'altitude la plus appropriée à la configuration de l'installation. Ces systèmes d'alimentation peuvent être installés en amont ou dans le filtre. L'entrée dans le dispositif de filtration pourra avoir un diamètre et un positionnement différent selon que l'on sera en alimentation gravitaire ou par 15 poste d'injection. Le dispositif de filtration comporte un système de distribution 5 de l'eau à traiter à la surface du massif filtrant 1, qui peut être réalisé par tout moyen connu de l'homme du métier, par exemple : un réseau de tubes percés de trous disposés selon un pas garantissant une répartition homogène, des plaques percées, un 20 « sprinkler », ou tout autre système garantissant une bonne répartition des eaux à traiter. L'utilisation de plusieurs dispositifs de filtration en parallèle est possible, en utilisant un système de répartition de l'eau à traiter. L'écoulement de l'eau dans le massif filtrant 1 aérobie. Dans un tel type de filtre, 25 de l'air circule dans les espaces libres et en présence d'oxygène et des substances nutritives que constitue la pollution à dégrader, des bactéries et des protozoaires se développent à la surface du matériau filtrant 2. Les matières organiques présentes dans l'eau subissent ainsi une dégradation biologique. La prolifération des bactéries et protozoaires est équilibrée par leur dégradation 30 par mortalité naturelle et pertes dans les eaux de sortie tant que le volume de pollution à traiter ne dépasse pas un certain seuil. Il est possible d'intégrer un système permettant d'alimenter le dispositif de filtration avec un certain volume d'eau horaire pour lisser le volume d'eau sur la journée et envoyer un volume 3057262 4 prédéfini dans le dispositif de filtration, le plaçant dans les meilleures conditions épuratoires. Par exemple, il est possible d'équiper le poste d'injection d'un programmateur pour démarrer la pompe X fois par heure pendant un temps déterminé calculé pour envoyer un volume d'eau ne dépassant pas un certain 5 seuil dans une heure. Un compteur de bâchées permet de connaitre les volumes injectés dans le dispositif de filtration et, associé à un relevé horaire, il est possible de lisser au plus juste les débits horaires sur le dispositif de filtration. Un système d'alarme peut être utilisé afin de détecter par exemple une déficience du dispositif ou des à-coups hydrauliques. 10 Ainsi, le dispositif de filtration n'accumule pas de boues résiduelles et doit pouvoir fonctionner plusieurs années sans risque de colmatage. Le matériau filtrant 2 est un granulé en un silicate de calcium hydraté autoclave. Le matériau filtrant 2 est fabriqué industriellement à partir d'un mélange de ciment (env. 20%), de chaux (env. 15%), de gypse (env. 2%), de sable siliceux 15 (env. 63%), d'eau et de poudre d'aluminium (env. 0.1%) pour former les bulles d'air. Avec 1 m3 de matière première, on fabrique environ 5 m3 de produit fini, qui peut contenir jusqu'à 80 % d'air. Les parois de ces bulles se composent principalement du minéral tobermorite 1.13nm (5CaO.6SiO2.5H20) résultant de 20 l'autoclavage du mélange (SiO2-CaO-H20) à 180°C. Le matériau filtrant 2 a un fort taux de dioxyde de silicium (SiO2), par exemple supérieur à 50%, par rapport à l'oxyde de calcium (CaO), ce qui présente les avantages suivants : - une meilleure tenue dans le temps du granulé, une meilleure résistance 25 aux produits agressifs contenus dans les eaux usées, - une meilleure tenue à l'abrasivité pendant la manutention du granulé avant mise en place, donc moins de production de fines, qui viendraient boucher les pores des granulés, - les fines tout de même produites sont moins réactives, et gênent moins le 30 procédé d'élimination des pollutions. Le matériau filtrant 2 est stable à l'eau et à la dégradation biologique. Le matériau filtrant est également inerte, pérenne, thermiquement isolant, coupe-feu, absorbant, résistant mécaniquement et recyclable à 100%. La porosité du 3057262 5 matériau filtrant 2 est choisie telle qu'elle permet la fixation des bactéries sur sa surface. L'eau passe préférentiellement dans les plus petits espaces selon le phénomène de succion capillaire, ce qui fait qu'elle passe dans les pores plutôt qu'entre les granulés. Par le choix de la porosité, l'eau à traiter est ainsi retenue 5 pendant un temps adapté à la dégradation de la pollution par les bactéries et protozoaires, et la circulation de l'air pour fournir l'oxygène nécessaire aux bactéries et protozoaires aérobies. Le matériau filtrant 2 a également une composition chimique compatible avec les bactéries et protozoaires épurateurs. 10 L'utilisation du matériau filtrant 2, en comparaison avec d'autres matériaux connus de l'homme du métier comme le sable ou la pouzzolane, permet de réduire les surfaces et le volume du massif filtrant 1, grâce notamment à leur forte porosité. Des prétraitements sur le matériau filtrant 2 peuvent être envisagés pour 15 augmenter sa capacité et son rendement épuratoires. Ces dispositions utilisées en partie ou combinées peuvent permettre de diminuer la surface de matériau filtrant 2 requise pour un volume d'eau à traiter donné. Ces prétraitements peuvent inclure : - une imprégnation du matériau filtrant 2 permettant une meilleure 20 accroche des bactéries et protozoaires, par exemple avec un gel nutritif de culture accélérant le développement des bactéries épuratrices. - un traitement préventif ou curatif à l'eau oxygénée pour augmenter très rapidement le taux d'oxygène dissous dans le dispositif de filtration afin d'accélérer la dégradation des pollutions, par le rejet de molécules 25 d'oxygène accrochées au matériau filtrant, - tout autre traitement permettant d'améliorer sa capacité et le rendement épuratoires. Le matériau filtrant 2 peut être mélangé à d'autres matériaux connus de l'homme du métier, afin de mettre en place des traitements spécifiques. 30 La granulométrie du matériau filtrant 2 est comprise entre 0,1 mm et 15 mm, de préférence entre 1 mm et 8 mm avec un faible pourcentage de fines 0.2 mm . Il est également possible de réaliser un massif filtrant 1 multicouche, avec des couches de granulés de granulométries différentes. 3057262 6 Tous les composants utilisés pour la fabrication du matériau filtrant 2 sont naturels et abondants, ils peuvent dans certains cas être fabriqués à partir de rebus de fabrication ; ils ne privent donc pas l'environnement de ressources rares. 5 La méthode de fabrication du matériau filtrant 2 est également peu polluante. Le matériau filtrant 2 est fabriqué en autoclave, qui ne rejette aucune substance liquide ou solide susceptible de polluer les eaux ou le sol. 100 % des déchets avant autoclavage sont recyclés, et après autoclavage plus de 90 % sont remis dans le cycle de fabrication. 10 Lorsque le massif filtrant 1 est en fin de vie, le matériau filtrant 2 est non polluant et ne nécessite aucun traitement chimique ; il peut donc être réutilisé dans un nouveau massif filtrant, valorisé directement sur les lieux de son utilisation. Le massif filtrant 1 peut ainsi être utilisé par exemple comme un apport d'aération et/ou un régulateur d'humidité pour des plantes, par exemple des plantes 15 d'ornement ou des haies. Cet usage permet d'éviter les enlèvements coûteux et peu écologiques du massif filtrant 1 en fin de vie par camion vers un centre de traitement de déchets, solution à n'utiliser qu'en dernier recours. Le massif filtrant 1 est un lit filtrant drainé à flux vertical, d'épaisseur utile comprise entre 30 et 70 cm, de préférence entre 40 et 60 cm. 20 La partie basse X du dispositif de filtration, sous le massif filtrant 1, est équipée d'un support 6 permettant de supporter le massif filtrant 1 tout en laissant passer, sur toute sa surface ou sur une grande majorité , l'eau traitée et l'air assurant l'oxygénation du massif filtrant 1. L'aération peut être faite par tout moyen connu de l'homme du métier, par exemple un réseau de tuyaux 7 amenant de l'air sous 25 le massif filtrant 1. En partie basse du dispositif de filtration, et donc en sortie du massif filtrant 1, l'eau traitée peut subir un complément de traitement, par exemple de type dénitrification ou déphosphatation. L'eau traitée peut ensuite être temporairement stockée dans une zone de récupération 8 avant d'être dirigée 30 hors du dispositif de filtration via une ou plusieurs sorties 9. Dans certains cas, la partie basse du dispositif de filtration peut être perméable et laisser les eaux traitées infiltrer le sol naturel ou reconstitué sous le dispositif de filtration. 3057262 7 Si un traitement plus poussé est nécessaire, l'eau traitée peut être dirigée après le dispositif de filtration vers un système de traitement tertiaire. Sinon, l'eau traitée peut être directement dirigée vers un poste de relevage ou être rejetée dans le milieu environnant, ou être utilisée par exemple dans un système 5 d'irrigation enterrée. La valorisation possible des eaux traitées permet dans certains cas une optimisation de l'utilisation des eaux, et donc une réduction de consommation de l'eau potable. La partie basse du dispositif de filtration peut comporter un système de détection 10 d'une mise en charge, permettant de surveiller l'activité du dispositif de filtration. Le dispositif de filtration peut être réalisé dans une cuve 10, par exemple préfabriquée en usine dans un matériau connu de l'homme du métier tel que le polyéthylène, le polypropylène, le polyester ou encore le béton. Le dispositif de filtration peut aussi être réalisé dans une enveloppe souple, pouvant comporter 15 un système de maintien périphérique, ou directement dans l'excavation réalisée pour l'accueillir. Le dispositif de filtration peut être couvert, obturé par un couvercle 11, ou non-couvert. S'il est couvert, un dispositif d'aération 12 peut être présent sur le couvercle. S'il est non couvert, le matériau filtrant 2 est au contact de l'air libre, 20 ce qui permet de bénéficier d'une aération naturelle et d'une solution plus économique. La solution non couverte peut nécessiter une couche supplémentaire de matériau filtrant 2, par exemple de 10 à 40 cm d'épaisseur, afin d'isoler thermiquement le massif filtrant 1. Le dispositif de filtration peut être enterré, semi-enterré ou hors-sol. Ainsi, la 25 solution selon l'invention est universelle car elle permet de répondre à tous les cas de figures rencontrés sur le terrain, et notamment les différentes configurations morphologiques et hydrogéologiques telles que la présence de roche, la présence d'une nappe phréatique, les risques d'inondation. Le dispositif de filtration selon l'invention convient à des utilisations très variées, 30 et avec un dimensionnement approprié, il peut par exemple être utilisé dans des pays dont la consommation d'eau est très élevée ou très basse. La filière de traitement des eaux usées comportant le dispositif de filtration selon l'invention peut être réalisée à partir d'éléments préfabriqués, ou par assemblage 3057262 8 d'éléments sur le site de l'installation. La filière de traitement peut être intégrée dans un seul élément appelé « monocuve », ou être réalisée par une juxtaposition d'éléments, par exemple : - un prétraitement commun, un système d'alimentation gravitaire ou par 5 bâchées, un dispositif de filtration commun, - un prétraitement commun, un système d'alimentation gravitaire ou par bâchées, un dispositif de filtration commun compartimenté, - un prétraitement commun, un système d'alimentation gravitaire ou par bâchées, plusieurs dispositifs de filtration en parallèle, 10 - plusieurs prétraitements, un ou plusieurs systèmes d'alimentation gravitaire ou par bâchées, plusieurs dispositifs de filtration. Le dispositif de filtration selon l'invention, à la fois simple et robuste, est facile à poser et fait appel à un minimum d'intervention humaine pour son fonctionnement. Cela permet de réduire les coûts d'investissement et 15 d'exploitation. Exemple de matériau filtrant 2 selon l'invention : Composition : - SiO2 : 65% +/- 10% - CaO : 25°A +/- 10% 20 Caractéristiques techniques : - Granulométrie (mm) : 0,2 à 8, avec une faible quantité de fines 0.2 mm (moins de 2%) - Classe de densité (kg/m3 +/- 20%) : 330 - Conductivité thermique À (VV/mK +/- 15%) : 0.08 25 - Absorption d'eau (% +0/- 15%) : 100 L'absorption d'eau a été mesurée selon la norme NF EN 1097-6. - Résistance à l'écrasement (N/mm2 +/- 15%) : 0,4 - Résistance à l'écrasement (T/m2 +/- 15%) : 40,8 La résistance à l'écrasement en T/m2 a été mesurée selon la norme 30 NF EN 13055-1.. - pH : 7 à 8.5 3057262 9 - Couleur : Gris léger - Classification au feu : Al Distribution de la granulométrie : - > 8 mm : 0 5 - 7à8mm:0à 5°/0 - 5 à 7 mm : 20 à 50°/0 - 2 à 5 mm : 30 à 60°/0 - REVENDICATIONS1. Dispositif de filtration des eaux usées comportant un matériau filtrant (2) sous forme de granulés, caractérisé en ce que le matériau filtrant (2) comporte des granulés poreux en hydrate de silicate de calcium autoclave, dont la matière sèche a une teneur massique en dioxyde de silicium supérieure à sa teneur massique en oxyde de calcium. 2. Dispositif de filtration des eaux usées selon la revendication précédente, dans lequel la matière sèche des granulés poreux a une teneur massique en dioxyde de silicium supérieure à 50%. 3. Dispositif de filtration des eaux usées selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la matière sèche des granulés poreux a une densité comprise entre 200 et 400 kg/m3. 4. Dispositif de filtration des eaux usées selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les granulés poreux ont une granulométrie inférieure à 8 mm. 5. Dispositif de filtration des eaux usées selon l'une des revendications précédentes, comportant une cuve (10) fermée par un couvercle (11) et un dispositif d'aération (12). 6. Procédé de filtration des eaux usées à l'aide d'un dispositif selon l'une des revendications précédentes, et dans lequel des bactéries et des protozoaires se développent à la surface et dans le matériau filtrant (2) lors de la filtration d'eaux usées, et participent à la dégradation des pollutions à traiter. 7. Procédé de filtration selon la revendication précédente, dans lequel les eaux en sortie du dispositif de filtration sont utilisées dans un système d'irrigation. 8. Utilisation d'un dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, comme lieu de plantation de plantes, le massif filtrant étant utilisé comme apport d'aération et/ou régulateur d'humidité pour lesdites plantes.30