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CA 02314545 2000-07-13
Demande de brevet pour un massif orienté de filtration
et de biofiltration
io
par
Is Pierre Talbot', Roger Lavasse ~, Yves Arcand ~, Olivier Vermeersch 2
et Jacek Mlynarek 2
CA 02314545 2000-07-13
2
Domaine de l'invention
La présente invention vise de façon générale le domaine de la filtration de
l'eau. Plus particulièrement, elle vise un massif de filtration pour la
filtration
s en mode percolant.
Description de l'art antérieur
L'utilisation de biofiltres ou de filtres pour le traitement de l'eau et de
l'air
est connu depuis longtemps. Une forme particulière de ceux-ci pour le
traitement de l'eau consiste en un réacteur rempli d'un matériel poreux
io permettant l'écoulement de l'eau de façon ascendante, en mode
submergé, ou de façon descendante en modes percolant ou submergé.
L'opération en mode submergé correspond à un réacteur bi-phasiques
solide-liquide alors que l'opération en mode percolant consiste en un
réacteur tri-phasiques solide-liquide-gaz. Selon l'objectif de traitement
is poursuivi, la phase solide peut permettre de retenir du matériel
particulaire,
de fixer des micro-organismes et de favoriser l'établissement de réactions
chimiques. La présente revue s'attarde principalement à l'état de l'art
antérieur des réacteurs de type biofiltre percolant, ou tri-phasiques, pour le
traitement des eaux usées. Certains des phénomènes décrits peuvent
2o néanmoins s'appliquer, de manière non exclusive, aux réacteurs bi-
phasiques.
L'équation 1 présente la relation existant entre les trois phases en terme
de rétention correspondant à la fraction du volume total du réacteur
occupée par chacune des phases.
2s 1 = Es + EL 'F Eg ~1 )
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La rétention solide, ou Eg, peut être subdivisée en trois composantes
Es - Esm '~' Esb '~ EsP (2)
OØ Esm correspond à la fraction du volume de solide occupée par le
matériel filtrant, Egb correspond à la fraction du volume de solide occupée
s par la biomasse et Esp la fraction du volume occupée par le matériel
particulaire retenu dans le lit filtrant.
La rétention liquide, ou EL, peut être subdivisée en deux composantes
EL = ELs + ELd (3)
où ELd correspond à la fraction du volume de liquide occupée par le liquide
io en mouvement ou s'écoulant vers le bas et ELs correspond à la fraction du
volume de liquide occupée par le liquide statique retenu dans le lit filtrant.
De la même manière, la rétention gazeuse, ou E9, peut être subdivisée en
deux composantes, soit une statique (E9S ) et dynamique (Egd )
Eg = E9s + Egd (4)
is En prenant comme référence le filtre à sable à simple percolation, une
technologie largement répandue (exemple brevet Eparco, no
W09700326), on observe avec le temps une accumulation de biomasse
néo formée (Esb) et de matériels particulaires (Esp) dans la partie supérieure
du lit filtrant (colmatage) limitant l'écoulement des fluides gazeux et
liquide
20 (augmentation de Es au détriment de EL et E9). Cette réduction de
l'écoulement gazeux vers le bas peut provoquer une limitation en oxygène
au niveau de la rétention gazeuse (E9) de la partie du lit filtrant située
sous
la partie supérieure. Une telle limitation peut entraîner un ralentissement,
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voire un blocage, des réactions d'oxydation prenant place dans cette partie
du lit filtrant. De son côté, la limitation de l'écoulement liquide en surface
du lit provoque une réduction de la conductivité hydraulique du lit filtrant
pouvant entraîner une diminution de ses capacités de traitement.
s D'autre part, l'opération du réacteur en mode percolant peut entraïner,
dans la partie inférieure du lit filtrant, une augmentation de la rétention
liquide (E~) résultant d'un phénomène de capillarité. La proportion des
fractions statique (ELs) et dynamique (E~d~ de la rétention liquide (E~) au
niveau de cette partie du lit peut varier selon que le réacteur est alimenté
lo ou non. Cette augmentation de la rétention liquide (~~) entraîne une
diminution de la rétention gazeuse (s9) dans la partie inférieure du lit
limitant ainsi les échanges gazeux vers le haut. Ce phénomène peut
provoquer une limitation en oxygène au niveau de la rétention gazeuze (sg)
de la partie du lit filtrant située au-dessus. Cette limitation peut entraïner
ls égalent un ralentissement, voire un blocage, des réactions d'oxydation
prenant place dans cette zone.
Finalement, plusieurs matériels ~Itrants opérés en percolation subissent un
phénomène de compaction, suite à la dissipation de l'énergie de l'eau,
entraînant également une réduction de la rétention gazeuse (s9).
2o Pour augmenter les rendements en termes de capacité d'oxydation ou de
durée de vie des biofiltres percolants, différentes stratégies, utilisées une
à
une ou en combinaison, (avec parfois des effets contradictoires) ont ëté
adoptées à ce jour. Le plus souvent avec du matériel en vrac et non-
orienté.
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Étalement vertical de la zone colmatante
L'étalement vertical de la zone colmatante observée au niveau de la partie
supérieure du lit filtrant permet de conserver de meilleurs écoulements
gazeux et liquide vers le bas (diminution de ~). Pour atteindre cet objectif,
s certains optent pour une alimentation des lits filtrants en mode percolant
avec un pourcentage de recirculation de l'effluent final entraînant une
dilution et une augmentation de la vitesse superficielle du liquide. Cette
pratique trouve souvent sa limite dans la capacité de charge hydraulique
du matériel filtrant et dans le fait que l'augmentation de la vitesse
io superficielle du liquide entraîne une augmentation de la rétention liquide
(E~d) au détriment de la rétention gazeuse (sg). Cette dernière limitation
devra être compensée dans certains cas par l'utilisation d'une aération
forcée mécaniquement par un ventilateur ou un compresseur. De plus,
cette façon d'opérer implique l'utilisation de pompes et de valves souvent
is coûteuses.
L'étalement de la zone colmatante peut également être augmenté en
jouant sur différents facteurs liés à la porosité et à la porométrie du massif
filtrant. D'une part, il est possible de mélanger de façon plus ou moins
homogéne des éléments de granulométries différentes afin d'obtenir un
2o massif avec une porométrie plus grande et plus étalée (brevet canadien no
2,009,752). D'autres optent pour un massif filtrant composé d'éléments de
fortes dimensions présentant un pourcentage important d'espaces vides
interconnectés à l'intérieur de chaque élément. Des blocs de polyuréthane
sont souvent utilisés pour ce type de massif filtrant à deux niveaux de
2s porosité (demande de brevet canadien no 2,139,554). Ces modifications
sont limitées par les coûts de fabrication ou d'installation du milieu
filtrant
ou soit à une perte d'efficacité liée à une diminution du temps de séjour
dans le réacteur de la phase liquide à traiter (diminution de ~~).
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Finalement, il est possible d'augmenter l'étalement de la zone colmatante
tout en conservant de bonne efficacités épuratoires par une modification
de la porométrie et l'introduction d'éléments séparateurs dans le massif
filtrant causant des bris de capillarité à différents niveaux. La
superposition
s de couches distinctes induisant des remontées capillaires à plusieurs
niveaux permet d'augmenter la rétention liquide (E~) et par le fait même le
temps de séjour du liquide à traiter malgré une porométrie plus ouverte
(demande de brevet canadien no 2,171,279). Par contre, l'étalement de la
zone colmatante résultant d'une augmentation de la rétention liquide (EL)
io par bris de capillarité se fait au détriment de la rétention gazeuse (E9).
Cette situation peut obliger l'utilisation d'une aération forcée
mécaniquement ou le renouvellement fréquent du massif filtrant.
Sommaire de l'invention
La présente invention vise un massif orienté de filtration d'un fluide, le
ls fluide s'écoulant dans le massif en suivant une certaine direction
d'écoulement, le massif comprenant une juxtaposition de couches de
matériels de porosités différentes s'étendant dans une même direction qui,
en usage, est substantiellement parallèle à la direction d'écoulement du
fluide permettant ainsi de contrôler les différents phénomènes
2o métaboliques et physiques d'accumulation ou d'échange s'établissant dans
le massif filtrant.
Par massif orienté de filtration, on entend tout aussi bien un massif pour la
biofiltration d'un fluide.
Par juxtaposition de couches, on entend tout aussi bien l'alternance de
2s couches que l'inclusion de différentes couches de matëriels tel qu'il le
sera
plus amplement décrit ci-après.
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La juxtaposition des matériels de porosité différentes peut se faire aussi
bien dans un plan vertical, horizontal ou intermédiaire.
Ainsi, la présente invention vise aussi un massif orienté de filtration ou de
biofiltration d'un fluide formé par l'alternance ou l'inclusion, dans un plan
s vertical, horizontal ou intermédiaire, de matériels de porosités différentes
alimentés verticalement ou horizontalement. Ä titre d'exemple pour le
traitement d'un liquide, un massif filtrant constitué par une superposition de
matériels doit être alimenté horizontalement, en mode complètement ou
partiellement submergé, alors qu'un massif formé par une juxtaposition de
io matériels doit être alimenté verticalement de façon ascendante, en mode
submergé, ou de façon descendante, en mode percolant ou submergé
(figure 1 ). Dans des réacteurs ainsi formés et opérés (figure 2),
l'alternance
de matériels de porosités différentes créent des zones favorisant
davantage, d'une part, une rétention dynamique des fluides (E~d et Egd) et,
ls d'autre part, une rétention statique de ces mêmes fluides ~E~s et E9s). Par
une modification des épaisseurs de matériels, de leur porosité et
porométrie respectives ainsi que des vitesses d'écoulement des fluides
impliqués, il est possible de mieux contrôler les différents phénomènes
métaboliques et physiques d'accumulation ou d'échange s'établissant dans
2o un massif filtrant ainsi conçu. II est à noter que ce type de massif de
filtration ou de biofiltration peut être utilisé à différents niveaux dans une
chaîne de traitement, soit aussi bien à l'étape secondaire que tertiaire.
Aussi, une stratégie d'opération basée sur la recirculation d'une fraction de
l'effluent traité peut également être prise en compte avec ce type de massif
2s de filtration ou biofiltration.
D'une part, les échanges entre les zones dominées par la rétention
dynamique d'un fluide et celles dominées par la rétention statique du
même fluide sont facilités lorsque la vitesse d'écoulement du fluide dans la
zone dynamique est inférieure à la vitesse du transfert s'établissant entre
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cette dernière et la zone statique (figure 3). Dans de telles conditions, un
élément dissous contenu dans un fluide s'écoulant dans la zone
dynamique peut entrer en contact avec le fluide retenu dans la zone
statique et le matériel constituant celle-ci. Un tel phénomène peut
s permettre d'exploiter, par exemple, les propriétés réactionnelles associées
à du matériel de faibles granulométries présentant des surfaces
spécifiques élevées (dans la zone statique) tout en s'assurant d'une
perméabilité ou conductivité compatible avec des capacités de traitement
intéressante (dans la zone dynamique) pour un fluide donné.
io D'autre part, ce type de massif de filtration ou de biofiltration permet un
bon étalement horizontal ou vertical du matériel particulaire retenu (Esp)
provenant du fluide à traiter et de la biomasse (Esb) se développant. Ä titre
d'exemple, dans un massif vertical de biofiltration d'un liquide opérer en
mode percolation, la biomasse aura davantage tendance â se développer,
is dans un premier temps, à l'intérieur des zones statiques (ERS) ou à
l'interface des zones statiques et dynamiques, lâ où les forces de
cisaillement sont moindres ou absentes, si le choix des matériels et des
conditions d'opération facilitent le transfert des éléments dissous entre les
zones statiques et dynamiques. En permettant une meilleure répartition
2o verticale du matériel solide accumulé (ssp) ou néo-formée (Esb), de telles
conditions d'opération favorisent donc la conservation à long terme d'une
rétention gazeuse sur toute la hauteur du lit filtrant et d'un meilleur
écoulement des fluides gazeux ou liquide.
De plus, ce même type de réacteur décrit ci-haut peut présenter un niveau
2s d'humidité, associée à la rétention liquide statique (E~s), suffisant pour
maintenir une activité catabolique en période d'arrët du réacteur favorisant
ainsi une réduction de la biomasse accumulée (ssb). Suite à la remise en
opération, la biomasse pourra reprendre rapidement son activité
anabolique, celle-ci ne se trouvant pas dans un état de déshydratation
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provoquant la mort des microorganismes ou leur transformation dans une
forme de résistance quelconque.
Description de modes de réalisations préférentielles
La fabrication de massifs de filtration ou de biofiltration formés par
s l'alternance ou l'inclusion dans un plan donné de sections de matériels de
porosités différentes peut &tre réalisée de diverses façons. A titre
d'exemple et de façon non limitative, trois exemples de mode de
fabrication sont présentés ci-dessous.
Un massif de filtration ou de biofiltration vertical formé de couches
io juxtaposées peut ëtre fabriqué par l'enroulement d'une nappe de fibres
textiles, tel un géotextile, recouverte préalablement d'une couche uniforme
de matériel en vrac tel que du sable ou de la tourbe. Une fois l'enroulement
complété et consolidé, le rouleau ainsi formé pourra être utilisé en position
verticale en mode d'alimentation percolant ou submergé (figure 4). Un
ls autre de mode de fabrication consiste en l'empilement dans un réservoir
ou contenant donné de couches de sable ou de tourbe alternant avec des
nappes de textile. Un tel massif de filtration ou de biofiltration est
davantage destiné à ëtre opéré horizontalement en mode submergé (figure
5). Un dernier exemple de mode de fabrication repose sur l'inclusion dans
2o une masse de matériel en vrac, tel que le sable ou la tourbe, de sections
de formes diverses de matériels de porosité supérieure (figure 6). II est à
noter qu'un tel massif de filtration ou de biofiltration peut étre opéré
verticalement ou horizontalement.
Par ailleurs, peu importe le mode de fabrication retenu, le choix d'au moins
2s un matériel autoportant, dans un plan donné, peut permettre d'augmenter
la résistance au phénoméne de compaction souvent observé dans les
massifs de filtration ou de biofiltration. Avec le temps, la compaction peut
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réduire de façon significative la rétention gazeuse du massif et par le fait
même ses capacités d'oxydation. De la même manière, la sélection d'au
moins un matériel plus économique, le plus souvent en vrac, peut
permettre de réduire significativement les coûts de fabrication.
s D'autres stratégies de fabrication peuvent également étre retenues en vue
de permettre le remplacement d'une partie du massif ou afin d'augmenter
sa capacité d'accumuler des solides (~P et Esb). L'entretien sacrificiel peut
être réalisé, par exemple, en découpant un massif vertical produit par
enroulement en deux sections. Comme les solides s'accumulent
io davantage dans la partie supérieure du massif, le remplacement de cette
dernière permet une meilleure exploitation de la section inférieure en
augmentant sa durée de vie utile (figure 7). Finalement, la capacité
d'accumulation des solides peut être augmentée en utilisant un différencie)
de porositë et de porométrie dans la zone d'entrée des couches
is correspondant à un matériel donné. Par exemple, l'utilisation d'une mince
zone de matériel très hautement poreux au dessus du matériel favorisant
la rétention dynamique permet d'augmenter la capacité réservoir ou
d'accumulation de solides (ssP et esb) de ce dernier dans sa partie amont
(figure 8).
2o Exemales d'utilisation
Les deux exemples fournis ci-dessous illustrent bien l'intérët d'un massif
de bio~ltration orienté formé par l'alternance dans un plan vertical de zones
de tourbe, où dominent des phénomènes de rétention statique, et de zones
de fibres textiles, où dominent des phénomènes de rétention dynamique.
2s Dans les deux cas, le massif filtrant a été fabriqué par enroulement.
Le premier tableau permet de comparer la capacité de traitement pour un
massif filtrant composé de 100% de tourbe avec celle d'un masif filtrant
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formé par l'alternance verticale de zones de tourbe et de fibres textiles
non-tissées. Les deux réacteurs ont été opérés en mode percolation
pendant trois mois pour le traitement d'eaux usées domestiques.
Tableau 1 Comparaison de la capacité de traitement d'un massif orienté
s vertical et de celle d'un massif 100% tourbe.
passif -
Massif
Paramtres Fibres textiles
et
100~ de tourbe
tourbe
Capacit de traitement
9 45
(kg de matire traite ! m2)
* Matières dissoute et particulaire (DBOs et MES)
Pour des efficacités de traitement comparables, il appert que le massif
orienté vertical présente une capacité 4 à 5 fois supérieure à celle du
massif 100°~ tourbe.
io Le tableau 2 met en lumière l'effet de la présence de zones de rétention
statique (couche de tourbe) dans un massif de 40 cm de hauteur de
biofiltration formé par l'enroulement d'une nappe de fibres textiles non-
tissée opéré verticalement en mode de percolation. Dans ce cas, l'effluent
à traiter était un lixiviat de sites d'enfouissement sanitaire contenant de
200
is à 250 mglL de DB05, de 100 à 150 mglL de NH4 et de 60 à 100 mg/L de
MES.
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Tableau 2: comparaison des efficacités moyennes de traitement de
massifs de géotextile enroulé verticalement avec ou sans zones
de tourbe.
Avec zones Sans zone de
de
rtention rtention
Paramtres statique statique Diffrence
base de base de
tourbe tourbe
~ enlvement
71 ( 15) 49 ( 13) 31
de la DBt3$
de nitrification
45 (10) 34 (9) 25
deNH4
~ enlvement
34 (fi) 10 (9) 71
de MES
enlvement
75 (3) 48 (3) 36
des coliformes
~ enlvement
49 (6) 35 (6) 29
du fer
enlvement
38 (6) 19 (6) 50
du zinc
( ) Nombre de valeurs incluses dans la moyenne
s L'incorporation de couches de tourbe alternant avec les couches de fibres
textiles a permis d'augmenter l'efficacité des principaux paramètres
considérés.
