Brevet FR3076829A1 — publié le 20190719

Dispositif et procédé de traitement d'eaux usées, intégrant un bassin de purification de type filtre planté et un réacteur biologique 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 employant une technologie de type filtre planté. Le traitement des eaux usées par filtre planté connaît un très fort développement depuis ces vingt dernières années. Pour rappel, on désigne par « filtre planté » un massif filtrant planté de végétaux où des eaux usées sont épurées lors de leurs percolations à travers le massif grâce au matériau filtrant, aux bactéries, et aux végétaux. 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 produit chimique ; - de bonnes performances épuratoires ; - une bonne adaptation aux variations de charge. On connaît des filtres plantés à percolation verticale ou à percolation horizontale. Dans les filtres horizontaux, l'arrivée des effluents dans les massifs s'effectue sur un des côtés. Ces effluents cheminent alors horizontalement dans le massif pour être récupérés à l'autre extrémité. Dans les filtres à percolation verticale (ou écoulement vertical), 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 parmi lesquels : - l'apport d'oxygène excrété par les racines des plantes ; - la convection liée à l'effet piston du déplacement des lames d'eau apportées à chaque bâchées ; - la diffusion, à la fois depuis la surface et par le fond grâce à des moyens d'aération qui comprennent des cheminées d'aération. 2 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 physiques (filtration, adsorption) et biologique (dégradation microbienne 5 aérobie, nitrification, assimilation végétale). Il est à 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 condition aérobie (conduisant à l'oxydation de l'azote ammoniacal en nitrites puis en nitrates). Dans ces dispositifs, les rôles principaux des végétaux plantés en surface 10 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) ; - favoriser l'activité microbienne aérobie à proximité des racines et 15 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. En France, la filière la plus largement appliquée est constituée de deux 20 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 m2/EH au deuxième étage ; avec EH = Equivalent-Habitant, ce qui correspond à la pollution journalière générée par une personne, soit le plus souvent 60 g DB05/j, 120 g DCO/j, 90 gMES/j, 15 gNIK/j et 2.4 g PT/j ). 25 Une des particularités de cette filière est de ne pas comprendre de prétraitement (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. 30 L'accumulation de boues dans cette filière est ainsi faible (environ 1,5 cm/an), ce qui entraîne 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. 3 Il est maintenant connu que cette filière à deux bassins, constituée de deux filtres verticaux en série, permet d'obtenir des rendements épuratoires élevés pour les effluents domestiques (> 90%) sur les polluants : matières en suspension (MES), matières organiques (DB05 et DCO) et azote réduit (NTK). 5 En revanche, les performances de cette filière sont limitées ( à 200 m2/m3). Ces supports bactériens présentent également avantageusement un pourcentage de vide important (> 90%). De tels supports bactériens peuvent être fabriqués de 5 manière non biodégradable avec un matériau pouvant être du polypropylène, du polyéthylène ou du polyéthylène haute densité, de manière à ce que ces supports présentent une durée de vie élevée. Les supports bactériens peuvent par exemple prendre une forme cylindrique, une forme de ruban, de feuille ondulée, une forme sphérique en nid d'abeille, ou 10 encore une forme de treillis tubulaire. Les supports bactériens sont fixes, ou mobiles (support bactérien de forme cylindrique mobile dans le réacteur par exemple). En variante, les supports bactériens peuvent être conditionnés dans des sacs. Tel qu'illustré par la figure 3, les diffuseurs d'air 322 sont situés en dessous des supports bactériens 31. 15 Selon le présent mode de réalisation illustré par les figures 1 et 3, les eaux usées, prétraitées par le bassin de purification de filtre planté, gagnent alors le fond de la cuve 30 du réacteur 3 biologique par l'intermédiaire du tuyau d'apport, où la pollution organique résiduaire est dégradée par les bactéries aérobies. Dans ce réacteur, l'azote ammoniacal est nitrifié par des bactéries 20 autotrophes nitrifiantes. Selon le mode de réalisation illustré par la figure 1, le dispositif 1 peut également comprendre une voie d'incorporation 6 dans le réacteur 3 d'un réactif pour un traitement du phosphore. Cette voie d'incorporation 6 comprend par exemple une cuve de stockage pour le réactif (chlorure ferrique, sels d'aluminium...) et une pompe 25 doseuse pour l'ajout du réactif dans le réacteur biologique. En référence à la figure 4, ainsi qu'a la figure 1, à la sortie du réacteur 3 biologique, les eaux traitées sont dirigées par gravité vers le clarificateur 4 (qui forme un compartiment de décantation secondaire). A l'intérieur du clarificateur, les boues secondaires issues du traitement 30 biologique sont décantées et se concentrent dans un cône de décantation 501 situé en partie inférieure du compartiment 40 du clarificateur 4. Selon un mode de réalisation non illustré, le réacteur biologique et le clarificateur peuvent être réalisés dans un même ensemble qui est ensuite compartimenté. 13 Tel qu'illustré par la figure 1, le dispositif 1 comporte un circuit de recirculation 5 de boues produites par le dispositif jusqu'en amont du bassin selon le sens de circulation des eaux usées. Ce circuit de recirculation 5 comporte des moyens de collecte 50 de boues, 5 ces moyens étant intégrés au clarificateur 4 par le biais du cône de décantation 501. Tel qu'illustré par la figure 4, les moyens de collecte 50 comportent également une pompe 500 située dans le cône de décantation. En référence à la figure 1, le circuit de recirculation 5, par l'intermédiaire de la pompe, envoie les boues secondaires concentrées par le cône de décantation dans 10 le clarificateur 4 jusqu'à l'équipement intermédiaire d'alimentation 11 située en amont du filtre planté par rapport au sens de circulation des eaux usées. En référence à la figure 4, les eaux épurées peuvent quitter le clarificateur 4 par gravité. Ces eaux présentent dès lors une qualité conforme aux normes de rejet admises. 15 Le clarificateur peut également comporter un garant (cloison siphoïde, filtre...) qui empêche l'intrusion d'un corps flottant dans le milieu récepteur. Le dispositif 1 tel qu'illustré par la figure 1 permet d'atteindre des performances épuratoires et une qualité de rejet en sortie meilleure que celle d'un filtre planté de roseaux classiques à un seul ou à deux étages (à titre indicatif, les 20 valeurs atteintes pour un effluent domestique classique peuvent être les suivantes : 20 mg/L MES ; 30 mg/L DBO ; 90 mg/L DCO et 5 mg/L NTK). Le procédé de traitement d'eaux usées selon l'invention est illustré par la figure 5. Ce procédé est mis en oeuvre par le dispositif 1 de traitement selon l'invention illustré par la figure 1. 25 En référence à la figure 5, le procédé de traitement comprend : - une étape de traitement dans un filtre planté 70 à écoulement vertical, l'étape de traitement étant plus précisément mise en oeuvre dans le bassin de purification de type filtre planté, dans lequel la circulation des eaux usées est à écoulement vertical ; 30 - une étape de traitement dans un réacteur biologique 71 à culture fixée de bactéries aérobies ; - une étape de clarification 72 qui fait suite aux étapes de traitement dans le filtre planté 70 et à l'étape de traitement dans le réacteur biologique 71, l'étape de clarification étant mise en oeuvre dans le clarificateur. 14 L'étape de traitement dans un réacteur biologique 71 suit l'étape de traitement dans un filtre planté 70. De plus, le procédé comprend également : - une étape de collecte 73 de boues produites par le procédé ; 5 - une étape d'injection 74 des boues collectées lors de l'étape de collecte précédente, dans les eaux usées destinées à être épurées à l'étape de traitement dans un filtre planté. Les étapes de collecte et d'injection sont mises en oeuvre par le circuit de recirculation du dispositif. 10 Grâce à la réalisation de l'étape de traitement dans le filtre planté préalablement à celle dans le réacteur biologique, le procédé a plusieurs avantages : - le réacteur peut présenter une petite taille, et ce notamment par rapport à un réacteur biologique d'une micro station selon l'art antérieur (à capacité équivalente de traitement d'eaux usées) ; 15 - le réacteur présente un risque peu élevé de colmatage des supports sur lesquels les bactéries sont situées ; - le procédé est facile à mettre en place dans le cas d'amélioration des performances de filtres plantés existants (en REVENDICATIONS1. Dispositif (1) de traitement d'eaux usées, comportant un bassin (2) de purification de type filtre planté, dans lequel la circulation des eaux usées est à écoulement vertical, le bassin comportant : - des moyens d'apport d'eaux usées (20) en surface du bassin ; - au moins une couche de matériaux filtrant (21) ; - des moyens de drainage (22) situés au fond du bassin ; caractérisé en ce qu'il comporte un réacteur (3) biologique à culture fixée de bactéries aérobies, le réacteur (3) étant situé en aval du bassin (2) selon un sens de circulation des eaux usées. Dispositif (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de recirculation (5) de boues produites par le dispositif jusqu'en amont du bassin (2) selon le sens de circulation des eaux usées. Dispositif (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte un clarificateur (4) situé en aval du bassin (2) et du réacteur (3) selon le sens de circulation des eaux usées, et en ce que le circuit de recirculation (5) comporte des moyens de collecte (50) de boues intégrés au clarificateur (4). Dispositif (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de drainage comprennent un réseau de drains (230) situé au fond du bassin (2), le réseau de drains étant couplé à une cheminée d'aération. Dispositif (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une voie d'incorporation (6) dans le réacteur (3) d'un réactif pour un traitement du phosphore. Dispositif (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le réacteur (3) comporte une cuve (30) dans laquelle est 10 2. 15 3. 20 4. 25 5. 30 6. 16 situé au moins un support bactérien (31) destiné à être immergé, le support étant monté mobile ou fixe dans la cuve. 7. Dispositif (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le ou les 5 supports bactériens (31) présentent une surface spécifique égale ou supérieure à 200 m2.m-3. 8. Procédé de traitement d'eaux usées, comprenant : - une étape de traitement dans un filtre planté (70) à écoulement vertical ; - une étape de traitement dans un réacteur biologique (71) à culture fixée de bactéries aérobies, l'étape de traitement dans un réacteur biologique (71) suivant l'étape de traitement dans un filtre planté (70). 9. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend : - une étape de collecte (73) de boues produites par le procédé ; - une étape d'injection (74) dans les eaux usées en amont de l'étape de traitement dans un filtre planté (70), des boues collectées lors de l'étape de collecte.20