Brevet FR3129389A1 — publié le 20230526

L’invention concerne un dispositif (1) de traitement des eaux usées par filtre planté de végétaux de préférence du type roseaux, comportant au moins un premier étage (FP1) de filtre planté comprenant une pluralité de couches filtrantes à base de substrat minéral dont une couche supérieure de type gravier fin, destinée à accueillir les végétaux, une couche de transition juste en-dessous de la couche supérieure et du type constituée de graviers filtrants plutôt fins de granulométrie plus étendue que celle de la couche supérieure, et au moins une couche de fond dite drainante du type à graviers grossiers, caractérisé en ce qu'il comporte en outre, en amont dudit filtre, au moins un premier ouvrage d’alimentation (20) de type chasse ou poste en forme de cuve de stockage équipé d’un dispositif totalement immergé (100) d’injection de microbulles d’air créant une aération et un brassage des eaux usées permettant une suroxygénation avant leur passage dans le premier étage (FP1) de filtre planté.. Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Dispositif de traitement des eaux usées par filtre planté équipé d’un ouvrage de type chasse ou poste Domaine technique de l’invention La présente invention concerne un dispositif de traitement d'eaux usées par filtres plantés de végétaux du type roseaux, c'est-à-dire un dispositif d'épuration d'eaux usées comportant au moins un filtre à base de graviers et de sable, si configuration à deux étages, utilisant des végétaux de type roseaux phragmite Australis pour notamment favoriser l’infiltration des eaux à traiter. L'invention se rapporte plus spécifiquement à des filtres à écoulement vertical, variablement saturé ou non. Apparu en France dans les années 80, le traitement par filtres à écoulement vertical plantés de macrophytes tels que des roseaux (FPR) connaît, depuis la fin des années 90, un développement croissant. Ce procédé rustique, fiable et écologique s’appuie sur des mécanismes naturels pour l’épuration des eaux usées domestiques issues de réseaux collectifs comme la filtration, l’activité des micro-organismes ou encore l’assimilation par les plantes. Particulièrement prisé par les élus et adapté pour l’assainissement collectif des petites communes (entre 30 et 2000 EH), ce système, désormais reconnu par les instances décisionnelles et réglementaires, présente de nombreux avantages : - Production très faible de boues résiduelles, - Aucun risque d’odeurs, - Nuisances sonores quasiment inexistantes, - Pas de développement de larves de moustiques, - Parfaite intégration paysagère, - Très bonne acceptation de la part des habitants, - Entretien facile et peu coûteux, - Très bonnes performances épuratoires, et - Bonne adaptation. Cette technique est réalisée selon le principe de l’épuration biologique principalement aérobie dans des milieux granulaires fins à grossiers. Plus précisément, ce type de dispositif comporte en général au moins un étage de filtre rempli de différentes couches de substrat minéral et dans lequel sont plantés des végétaux, les plus répandus étant les roseaux de type Phragmites Australis. Le dispositif est souvent complété par des drains de collecte des eaux épurées. Usuellement, les couches successives depuis le fond du filtre jusqu'en haut sont constituées d'une couche de graviers de gros diamètre, d'une couche de graviers grossiers, et d'une couche de gravier fin, ou sable, dans laquelle sont plantés les roseaux. La couche de graviers ou de sable dans laquelle se situe le système racinaire des végétaux est une zone aérée, servant de support aux bactéries aérobies qui vont permettre une dégradation de la matière organique. Les roseaux ayant d'ailleurs des rhizomes très développés, ils participent, dans une proportion limitée, à cet apport d'oxygène pour les bactéries. En outre, les roseaux, de par leur mouvement oscillant, ont une action de fragmentation sur la couche de boue formée à la surface du filtre, évitant le colmatage de la surface du filtre et garantissant l'infiltration pérenne des effluents. De manière résumée, le fonctionnement d'un tel dispositif est le suivant : les eaux usées sont déversées en surface du filtre (ce qu'on nomme usuellement par le terme « bâchée »), les bactéries assurent le processus de dégradation de la matière organique des eaux usées, l'effluent circule par percolation verticale à travers les couches jusqu'au drainage qui collecte les eaux filtrées/traitées pour être évacuées en sortie du drain hors du filtre. La bâchée s'infiltre à travers le massif de plantes en quelques minutes. Le développement racinaire des plantes utilisées accroît la surface de fixation pour le développement des micro-organismes. A cet accroissement de surface active s’ajoute un facteur de stimulation de l’activité, de la diversité et de la densité des micro-organismes car les tissus racinaires des plantes constituent des niches plus accueillantes que des substrats minéraux inertes. Enfin, le métabolisme des plantes influence également plus ou moins le traitement en fonction des surfaces mises en jeu. Selon une pratique répandue, il est très courant d'utiliser deux filtres consécutifs à écoulement vertical pour réaliser un traitement adéquat ; on parle de station d'épuration à deux étages. La superficie des filtres dépend du nombre d'habitants. Il faut compter généralement une superficie utile pour le premier filtre comprise entre 1,2 et 1,5 m²/habitant et pour le second filtre, comprise entre 0,8 et 1 m²/habitant, soit entre environ 2 et 2,5 m²/habitant (et entre 4 et 8 m² de surface totale, la surface utile étant souvent égale à environ la moitié de la surface totale). Le second filtre, placé à une altitude inférieure ou égale à celle du premier filtre, permet de réaliser un traitement qui répondra à un niveau réglementaire plus sévère de traitement, essentiellement en retenant et dégradant l'azote ammoniacal, peu ou partiellement retenu au niveau du premier filtre. Par conséquent, on parvient rapidement à utiliser des surfaces de traitement relativement grandes, pouvant par exemple atteindre 1000 à 1500 m² pour une station de traitement des eaux usées d'une capacité de 500 équivalents-habitants. On notera également que la surface brute d’une station composée de deux étages évolue en fonction de la capacité de la station et se stabilise à environ 4 m²/habitant à partir de 500 habitants. De plus, la topographie conditionne souvent l’implantation de tels ouvrages. L’écoulement de l’effluent doit par ailleurs suivre la pente naturelle du terrain si les conditions le permettent. Pour une station à deux étages de filtres à écoulement vertical, alimentée gravitairement, il faut pouvoir disposer d’au moins 4 mètres entre le point d’entrée des eaux usées sur le site et le point de rejet vers le milieu naturel. Ce dénivelé doit être plus important pour de grandes unités. En cas de terrain pentu, la surface totale nécessaire peut être plus élevée en raison de l’emprise des talus et plates-formes des filtres. Aussi est-il souhaitable de réduire cet encombrement au sol en tentant de ne mettre en œuvre qu'un seul étage de filtre tout en maintenant un niveau de traitement élevé, ce qui permet en outre de diminuer les coûts de fabrication, d'installation, de maintenance et d'exploitation. L'une des solutions connues pour n'utiliser qu'un seul filtre et parvenir à un niveau de traitement élevé est la recirculation, c'est-à-dire qu'en sortie d'un filtre, les eaux filtrées sont ramenées en tête de station gravitairement ou via une pompe afin d'être réinjectées sous forme de bâchée au niveau dudit filtre de traitement. Cependant, un tel processus peut nécessiter une pompe de relevage, ce qui augmente le coût de l'installation et nécessite une maintenance supplémentaire. De plus, ce volume d'eau traité est en réalité réinjecté avec une bâchée non encore traitée, imposant en définitif de prévoir dès la construction un filtre de surface élevée, sans éviter pour autant le risque de surcharge hydraulique. Une autre solution pour retenir de manière performante l'azote ammoniacal est d'associer en sortie du filtre du premier étage une cuve comprenant de la zéolite. Via une pompe, l'eau traitée en sortie de filtre est délivrée dans la cuve et y reste le temps nécessaire à la fixation de l'azote ammoniacal par la zéolite et à sa transformation en nitrates. Cependant, cette solution nécessite encore une fois une pompe de relevage, ainsi qu'une installation spécifique à entretenir. L'invention a donc pour but de pallier les inconvénients précités en proposant un dispositif de traitement d'eaux usées, efficace, dont l'occupation au sol soit optimisée, et présentant un fonctionnement simplifié. Présentation de l'invention La présente invention vise à remédier à ces inconvénients avec une approche totalement novatrice, plus efficace que les solutions de l’art antérieur, sans accroissement de surface brute/utile, et en conservant tous les avantages évoqués en préambule. A cet effet, selon un premier aspect, la présente invention se rapporte à un dispositif de traitement des eaux usées par filtre planté de végétaux de préférence du type roseaux, comportant au moins un premier étage de filtre planté comprenant une pluralité de couches filtrantes à base de substrat minéral dont une couche supérieure de type gravier fin, destinée à accueillir les végétaux, une couche de transition juste en-dessous de la couche supérieure et du type constituée de graviers filtrants plutôt fins de granulométrie plus étendue que celle de la couche supérieure, et au moins une couche de fond dite drainante du type à graviers grossiers, caractérisé en ce qu'il comporte en outre, en amont dudit filtre, au moins un premier ouvrage d’alimentation de type chasse ou poste en forme de cuve de stockage équipé d’un dispositif totalement immergé d’injection de microbulles d’air créant une aération et un brassage des eaux usées permettant une suroxygénation avant leur passage dans le premier étage de filtre planté. Dans cette optique, le concept de « l’ouvrage d’alimentation actif » permet de favoriser les processus aérobies au sein de la filière, en considérant les ouvrages de chasse ou poste, non seulement comme des ouvrages de stockage, mais également comme des ouvrages de traitement. Pour cela, un dispositif d’aération par injection de fines bulles y est intégré et permet la suroxygénation des eaux brutes ou partiellement traitées. Ce phénomène induit une dégradation de la matière organique (DCO, DBO5) dès l’arrivée des effluents bruts sur la station (préalablement dégrillés), au sein des ouvrages d’alimentation, et non plus uniquement au sein des massifs filtrants. Dans la même optique, la mise en place de dispositifs d’injection de fines bulles doit permettre : - Une optimisation de la nitrification (transformation aérobie des ions ammonium NH 4 + en ions nitrates NO 3 - ), à la fois sur les 1 er et 2 ème étages de filtres plantés, et - Une optimisation de l’élimination du phosphore (orthophosphates PO 4 3- et phosphore organique), avec, en particulier, une amélioration du traitement biologique (suraccumulation au sein de la biomasse). L’invention est mise en œuvre selon les modes de réalisation et les variantes exposées ci-après, lesquelles sont à considérer individuellement ou selon toute combinaison techniquement opérante. Avantageusement, le dispositif d’injection de microbulles d’air comporte au moins une rampe de diffusion percée de microperforations et reliée à un dispositif de production d’air tel qu’un compresseur ou une soufflante. De préférence, la rampe microperforée présente la forme d’un tube flexible renforcé d’une gaine interne tressée et muni de deux rangées diamétralement opposées d’orifices perforés. Selon un mode de réalisation particulier de la présente invention, le tube flexible intègre un lest faisant office de ballast pour maintenir en permanence ledit tube au fond ou sur les parois latérales de la cuve de l’ouvrage d’alimentation de type chasse ou poste. Selon une caractéristique complémentaire, le ballast est conçu dans un matériau résistant aux rayons UV, aux produits chimiques, à la salinité et aux variations de pH et de température. Selon un mode de réalisation préféré de la présente invention, le dispositif d’injection de microbulles d’air présente une forme de grille semi-rigide plane ou circulaire présentant un contour externe sensiblement identique à celui du fond ou de la paroi de la cuve de l’ouvrage d’alimentation de type chasse ou poste dans laquelle il repose, ladite grille étant pourvue d’une multitude de rampes de diffusion parallèles. De manière avantageuse, la grille plane semi-rigide présente une forme adaptée à l’ouvrage d’alimentation de type chasse ou poste, de préférence circulaire ou rectangulaire, et comporte plusieurs zones distinctes de formes différentes pourvues chacune de rampes de diffusion parallèles et/ou perpendiculaires entre elles. Selon un aspect particulièrement intéressant de la présente invention, le débit d’air du dispositif d’injection de microbulles d’air est compris entre environ 2,5 et 50 litres/minute/mètre de diffuseur, et de préférence entre environ 5 et 20 litres/minute/mètre de diffuseur. Selon une caractéristique complémentaire, le taux de transfert d’oxygène du dispositif d’injection de microbulles d’air est compris entre environ 0,04 et 0,08 kg d’O ² /heure/mètre de diffuseur, de préférence entre environ 0,05 à 0,07 kg d’O ² /heure/mètre de diffuseur/tube et avantageusement sensiblement égal à 0,061 kg d’O ² /heure/mètre de diffuseur. Selon un mode de réalisation spécifique de la présente invention, le dispositif comporte : - un deuxième étage de filtre planté similaire au premier étage de filtre planté et placé en aval et à un niveau inférieur ou égal à celui-ci, selon le sens de circulation des eaux à traiter, et - un deuxième ouvrage d’alimentation de type chasse ou poste en forme de cuve de stockage similaire au premier ouvrage d’alimentation de type chasse ou poste, ledit deuxième ouvrage d’alimentation de type chasse ou poste étant interposé entre la sortie du premier étage de filtre planté et l’entrée du deuxième étage de filtre planté et étant pourvu d’un deuxième dispositif totalement immergé d’injection de microbulles d’air créant une suroxygénation des eaux prétraitées par aération. La présente invention se rapporte également à un procédé de traitement des eaux usées pour la mise en œuvre du dispositif tel que décrit précédemment et consistant à diffuser des microbulles d’air dans la cuve de l’ouvrage d’alimentation de type chasse ou poste de manière à créer une suroxygénation des eaux usées par aération et brassage avant leur passage dans le premier étage de filtre planté. Préférentiellement, le procédé conforme à la présente invention consiste en outre à diffuser des microbulles dans la cuve du deuxième ouvrage d’alimentation de type chasse ou poste avant d’envoyer les eaux prétraitées par le premier étage de filtre planté en direction du deuxième étage de filtre planté. Brève description des figures D’autres avantages, buts et caractéristiques de la présente invention ressortent de la description qui suit faite, dans un but explicatif et nullement limitatif, en regard des dessins annexés, dans lesquels : la est une vue en coupe d’un dispositif de traitement des eaux usées conforme à la présente comportant un étage de filtre planté et un ouvrage d’alimentation de type chasse ou poste en forme de cuve de stockage équipé d’un dispositif totalement immergé d’injection de microbulles d’air, la est une vue similaire à la mais comportant deux étages de filtre planté et deux ouvrages d’alimentation de type chasse ou poste en forme de cuve de stockage équipés chacun d’un dispositif totalement immergé d’injection de microbulles d’air, la est une vue en perspective d’un premier mode de réalisation d’un ouvrage d’alimentation de type poste en forme de cuve de stockage équipé d’un dispositif totalement immergé d’injection de microbulles d’air, la est une vue de dessus de la , la est une vue variante de type chasse de la , la est une vue de dessus de la , la est une vue de détail d’un dispositif de micro-aération, la est une vue de détail d’un diffuseur de microbulles, la est une vue de détail en plan d’un premier type de diffuseur de microbulles d’air, la est une vue de détail en plan d’une variante de la , et la est une vue de détail en plan d’une variante des figures 9 et 10. Dispositif (1) de traitement des eaux usées par filtre planté de végétaux de préférence du type roseaux, comportant au moins un premier étage (FP1) de filtre planté comprenant une pluralité de couches filtrantes à base de substrat minéral dont une couche supérieure de type gravier fin, destinée à accueillir les végétaux, une couche de transition juste en-dessous de la couche supérieure et du type constituée de graviers filtrants plutôt fins de granulométrie plus étendue que celle de la couche supérieure, et au moins une couche de fond dite drainante du type à graviers grossiers, caractérisé en ce qu’il comporte en outre, en amont dudit filtre, au moins un premier ouvrage d’alimentation (20) de type chasse ou poste en forme de cuve de stockage équipé d’un dispositif totalement immergé (100) d’injection de microbulles d’air créant une aération et un brassage des eaux usées permettant une suroxygénation avant leur passage dans le premier étage (FP1) de filtre planté. Dispositif (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif (100) d’injection de microbulles d’air comporte au moins une rampe de diffusion (110) percée de microperforations (120) et reliée à un dispositif de production d’air (130) tel qu’un compresseur ou une soufflante. Dispositif (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que la rampe microperforée (110) présente la forme d’un tube flexible renforcé d’une gaine interne tressée et muni de deux rangées (120) sensiblement diamétralement opposées d’orifices perforés. Dispositif (1) selon la revendication 3, caractérisé en ce que le tube flexible (110) intègre un lest (140) faisant office de ballast pour maintenir en permanence ledit tube au fond ou sur les parois latérales de la cuve de l’ouvrage d’alimentation (20) de type chasse ou poste. Dispositif (1) selon la revendication 4, caractérisé en ce que le ballast (140) est conçu dans un matériau résistant aux rayons UV, aux produits chimiques, à la salinité et aux variations de pH et de température. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que le dispositif (100) d’injection de microbulles d’air présente une forme de grille semi-rigide (150) présentant un contour externe sensiblement identique à celui du fond ou de la paroi de la cuve de l’ouvrage d’alimentation de type chasse ou poste dans laquelle il repose, ladite grille étant pourvue d’une multitude de rampes de diffusion parallèles (110). Dispositif (1) selon la revendication 6, caractérisé en ce que la grille plane semi-rigide (150) présente une forme adaptée à l’ouvrage d’alimentation de type chasse ou poste, de préférence circulaire ou rectangulaire, et comporte plusieurs zones distinctes de formes différentes pourvues chacune de rampes de diffusion (110) parallèles et/ou perpendiculaires entre elles. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le débit d’air du dispositif (100) d’injection de microbulles d’air est compris entre environ 2,5 et 50 litres/minute/mètre de diffuseur, et de préférence entre environ 5 et 20 litres/minute/mètre de diffuseur/tube. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le taux de transfert d’oxygène du dispositif d’injection de microbulles d’air est compris entre environ 0,04 et 0,08 kg d’O²/heure/mètre de diffuseur, de préférence entre environ 0,05 à 0,07 kg d’O²/heure/mètre de diffuseur/tube et avantageusement sensiblement égal à 0,061 kg d’O²/heure/mètre de diffuseur. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte : - un deuxième étage (FP2) de filtre planté similaire au premier étage (FP1) de filtre planté et placé en aval et à un niveau inférieur ou égal à celui-ci, selon le sens de circulation des eaux à traiter, et - un deuxième ouvrage d’alimentation (60) de type chasse ou poste en forme de cuve de stockage similaire au premier ouvrage d’alimentation (20) de type chasse ou poste, ledit deuxième ouvrage d’alimentation (60) de type chasse ou poste étant interposé entre la sortie (40) du premier étage (FP1) de filtre planté et l’entrée (70) du deuxième étage (FP2) de filtre planté et étant pourvu d’un deuxième dispositif (100) totalement immergé d’injection de microbulles d’air créant une suroxygénation des eaux prétraitées par aération.